별이 태어났을 때 초기질량은 항성이 될 수 있는 최소질량을 정해줍니다. 이는 현재 태양 질량의 7% 정도입니다. 이보다 작은 초기질량의 경우에 별은 주계열성이 되지 못하고 수소 핵융합을 못하는 갈색왜성이 됩니다. 이 때문에 갈색왜성은 때때로 '실패한 별'이라고 불리는데요. 행성보다는 크지만 별의 원동력이 되는 핵 반응을 일으킬 만큼 질량이 크지 않기 때문입니다. 갈색왜성은 가시광선 영역의 빛을 내지 못하는 천체입니다. 이에 적외선 영역으로 관측할 때 눈에 띄는 천체라고 합니다.
<Science>에 게재된 연구에 따르면 과학자들은 처음으로 갈색왜성에서 직접적으로 풍속을 측정했다고 합니다. 이 연구에서는 얼마 전 은퇴한 NASA의 적외선 우주망원경인 스피처 우주망원경(Spitzer Space Telescope)의 데이터를 이용했습니다.
행성보단 큰, 별보단 작은 갈색왜성
연구진은 2MASS J10475385+2124234으로 명명된 갈색왜성을 연구했습니다. 이 천체는 지구에서 32광년 떨어진 곳에 위치해 있었는데요. 이는 우주적 스케일을 생각해볼 때 매우 가까운 거리입니다. 이 갈색왜성은 크기는 목성과 비슷하지만 40배 더 육중한 천체였습니다. 연구원들은 1,425 mph의 속도로 이동하는 바람을 감지했습니다. 비교를 해보자면, 해왕성의 대기는 태양계에서 가장 빠른 대기를 지니고 있는데요. 이 바람이 1,200 mph의 속도입니다.
지구에서 풍속을 측정한다는 건 행성의 단단한 지표에 대해 기체로 이뤄진 대기의 상대적인 움직임을 기록한다는 걸 의미합니다. 하지만 갈색왜성은 거의 대부분 가스로 이뤄져 있기 때문에 '바람'은 약간 다른 걸 나타냅니다. 갈색왜성의 상층부는 기체가 일부 독립적으로 움직일 수 있는 곳입니다. 일정한 깊이에서는 천체의 내부로 간주되는 곳이 하나의 고체로 이뤄진 공처럼 거동할 정도로 기압이 매우 강해지는데요. 내부가 회전하면서 이에 맞추기 위해 대기의 상층부를 당기게 됩니다.
연구원들은 갈색왜성의 대기 내부와 비교해 상층부 대기의 속도 차이를 측정했습니다. 대기 온도가 섭씨 600도인 이 갈색왜성은 엄청난 양의 적외선을 방출하는데요. 지구와 가까운 곳에 위치해 있다는 특징은 스피처 망원경이 갈색왜성이 회전하며 시야에서 가려질 때 대기의 형상을 감지하는 것을 가능하게 했습니다. 이에 연구팀은 대기의 회전 속도를 측정할 수 있었습니다. 또한 연구팀은 갈색왜성 내부의 속도를 측정하기 위해 갈색왜성의 자기장에 초점을 맞췄는데요. 갈색 왜성의 내부에서 강한 자기장이 발생된다는 사실을 최근 발견했습니다. 갈색왜성이 회전하면서 자기장은 하전된 입자를 가속시켜 전파를 발생시키는데요. 연구진은 칼 G. 잔스키 전파망원경(Karl G. Jansky Very Large Array)을 이용해 이를 탐지했습니다.
이번 연구는 갈색왜성에 대한 풍속 측정을 위한 비교 연구법을 처음으로 입증했다는 점에서 의미가 있습니다. 정확도를 측정하기 위해 연구팀은 목성의 적외선과 전파 관측을 이용해 이 기술을 시험했는데요. 목성은 대부분 가스로 구성돼 있고 작은 갈색왜성과 비슷한 물리적 구조를 가지고 있기 때문입니다.
연구팀은 훨씬 더 멀리 떨어져있는 갈색왜성에 대해 수집할 수 있었던 것과 비슷한 데이터를 이용해 목성의 상층부 대기와 내부의 회전율을 비교했습니다. 그런 다음 목성 가까이에서 연구한 탐사선이 수집한 보다 상세한 데이터를 이용해 목성의 풍속 계산을 확인했습니다. 그 결과 갈색왜성에 대한 연구팀의 접근법이 효과가 있다는 사실을 증명했습니다.
스피처 망원경은 은퇴 후에도 여전히 과학계에 영향력 행사
연구팀은 이전에 스피치 망원경을 이용해 적외선으로 외계행성과 갈색왜성 대기의 밝기 변화에 기반하여 바람의 존재를 유추해왔습니다. 그리고 칠레에 있는 유럽 남반구 천문대(EOS)의 라 실라 천문대(La Silla Observatory)에 있는 외계행성 탐색 장비인 HARPS(High Accuracy Radial velocity Planet Searcher)의 데이터를 먼 행성의 풍속을 직접 측정하는데 사용했습니다.
그러나 이번 연구는 처음으로 갈색 왜성의 내부 속도와 대기의 속도를 직접 비교한 겁니다. 이번 연구의 저자들에 따르면 이 방법은 조건이 맞는다면 다른 갈색왜성이다 보다 큰 행성에 적용될 수 있을 것이라고 합니다. 버크넬대학교(Bucknell University)의 물리학 및 천문학 부교수인 Katelyn Allers는 "우리는 이 기술이 외계행성의 역학을 통찰하는데 정말 가치가 있다고 생각한다"며 "정말 흥미로운 건 천체 주변의 화학, 대기 역학 및 환경이 어떻게 상호 연결돼있는지 배우고 이러한 세계에 대한 포괄적인 시각을 가질 수 있다는걸 배우는 것"이라고 전합니다.
한편, 스피처 우주망원경은 우주에서 16년 이상 임무를 수행하다가 지난 2020년 1월 30일 은퇴했습니다. 스피처 우주망원경은 지난 2003년 발사됐습니다. 허블우주망원경, 찬드라 X선 관측선, 콤프턴 감마선 관측선과 함께 NASA의 4대 관측선 중 하나였습니다. 대형 망원경(Great Observatories) 프로그램은 우주의 완전한 그림을 그려내기 위해 다른 파장의 빛을 이용해 그 힘을 보여줬습니다. 현재 스피처 우주망원경의 과학 데이터는 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 IPAC의 적외선 과학 보관소에 위치한 스피처 데이터 보관소에서 과학자들에 의해 계속 분석되고 있습니다. 스피처 망원경이 과학에 미치는 엄청난 영향은 스피처 망원경의 임무가 끝난 후에도 지속될 겁니다.
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