🔭 슈퍼지구와 해왕성 사이, 미니해왕성이 유독 적은 진짜 이유와 반지름 계곡 대기 관측 총정리

📑 목차

• 🔭 외계행성 아카이브에서 마주친 이상한 빈틈
• 🧪 광증발과 코어파워, 두 용의자
• 🛰️ GJ 1214b, 관측 온도가 100도 넘게 낮았다
• 💧 TOI-270 d, 있어야 할 암모니아가 없었다
• 🧭 두 관측이 같이 가리키는 지점

🔭 외계행성 아카이브에서 마주친 이상한 빈틈

얼마 전에 심심해서 NASA 외계행성 아카이브를 필터링해보다가 좀 이상한 걸 발견했다. 반지름을 지구 대비 배수로 정렬해봤더니, 1.5배에서 2배 사이 구간에서 행성 개수가 뚝 떨어졌다. 1.3배짜리도 많고 2.5배짜리도 많은데, 딱 그 사이만 골짜기처럼 비어 있었다. 처음엔 관측 편향인 줄 알았는데 찾아보니 이건 2017년에 캘리포니아공대의 벤저민 풀턴 연구팀이 케플러 데이터에서 이미 확인한 현상이었다. 이름도 있었다, '반지름 계곡'. 지구보다 살짝 크면 암석질 슈퍼지구, 조금만 더 커지면 갑자기 두꺼운 대기를 두른 미니해왕성이 되고, 그 중간 크기는 우주가 일부러 피해가는 것처럼 드물다.

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🧪 광증발과 코어파워, 두 용의자

이 골짜기를 설명하는 이론은 크게 두 갈래다. 하나는 광증발. 어린 별은 자외선과 엑스선을 지금보다 훨씬 세게 뿜어내는데, 별에 바짝 붙은 행성이라면 이 복사가 수소·헬륨 대기를 수억 년에 걸쳐 뜯어낸다. 얇은 대기를 가진 행성일수록 이 과정에서 벌거벗은 암석핵만 남고, 그래서 중간 크기가 비게 된다는 논리다. 다른 하나는 코어파워 질량손실. 이건 별 복사와 무관하게, 행성이 만들어질 때 갖고 있던 자체 열이 식으면서 대기를 서서히 밀어낸다는 이론이다. 시간 스케일도 다르고 별과의 거리 의존성도 다르다. 문제는 두 이론 다 반지름 계곡의 위치와 모양을 그럭저럭 잘 재현한다는 거다. 통계만 봐서는 승부가 안 났다.

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🛰️ GJ 1214b, 관측 온도가 100도 넘게 낮았다

이 교착 상태를 흔든 게 2023년 제임스웹의 GJ 1214b 미니해왕성 대기 관측이다. 캐슬린 켐프턴 연구팀이 미리(MIRI) 기기로 이 미니해왕성의 위상 곡선 전체를 찍었는데, 낮 쪽 표면 온도가 대략 섭씨 164도, 켈빈으로 437도 정도로 나왔다. 그런데 이 행성이 순수한 수소·헬륨 대기를 구름 없이 두르고 있었다면, 열 재분배가 거의 없다고 가정해도 낮 쪽 온도는 550~600켈빈 근처까지 올라가야 정상이다. 100켈빈 넘게 차이가 난 거다. 이 정도 격차는 관측 오차로 덮을 수 있는 수준이 아니다. 연구팀은 이걸 두 가지로 해석했다. 대기가 빛을 많이 반사할 만큼 두꺼운 구름이나 안개로 덮여 있거나, 아니면 대기 자체가 수소보다 무거운 물 같은 성분으로 채워져 있어서 낮과 밤 사이 열을 효율적으로 퍼뜨린다는 것. 실제 추정된 반사율(본드 알베도)은 0.5 안팎으로, 이만큼 뜨거운 위치에 있는 행성치고는 비정상적으로 높았다.

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💧 TOI-270 d, 있어야 할 암모니아가 없었다

2024년 비요른 베네케 연구팀이 발표한 TOI-270 d 관측 결과는 또 다른 방향에서 흥미로웠다. 이 행성 대기에서는 메탄과 이산화탄소가 뚜렷하게 잡혔는데, 정작 그 온도대에서 수소가 풍부한 대기라면 당연히 함께 검출돼야 할 암모니아가 나오지 않았다. 암모니아는 물에 아주 잘 녹는 기체다. 그래서 연구팀은 이 행성 표면 아래 깊은 곳에 물로 된 바다나 마그마 바다가 있어서, 위로 올라오려던 암모니아를 그 액체층이 흡수해버렸을 가능성을 제기했다. 단순한 수소 껍데기가 아니라, 그 아래 무언가 무거운 층이 있고 대기와 상호작용하고 있다는 뜻이다.

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🧭 두 관측이 같이 가리키는 지점

GJ 1214b와 TOI-270 d는 상황이 다르다. 하나는 별에 가까워 뜨겁고, 하나는 상대적으로 멀어 차갑다. 그런데 둘 다 순수한 수소 대기 모델로는 설명이 안 되고, 둘 다 '무거운 성분이 섞인 대기'라는 결과로 수렴했다. 나는 이게 우연이 아니라고 본다. 광증발이든 코어파워 질량손실이든, 결국 두 메커니즘 모두 가벼운 수소·헬륨을 우선적으로 날려버리는 물리다. 반대로 물이나 탄소 화합물처럼 무거운 분자가 섞인 대기는 같은 에너지를 받아도 훨씬 잘 버틴다. 그렇다면 반지름 계곡의 경계에 살아남은 미니해왕성들은 우연히 별에서 멀었던 행성이 아니라, 애초에 무거운 대기 성분 비율이 높았던 행성일 가능성이 크다. 이건 검증 가능한 예측이다. 앞으로 제임스웹이 계곡 경계 근처 미니해왕성들을 더 많이 관측했을 때, 살아남은 쪽에서 유독 구름 많고 무거운 대기가 반복적으로 나온다면, 반지름 계곡은 거리의 문제가 아니라 태어날 때부터 정해진 화학 조성의 문제였다는 뜻이 된다.