제임스웹 망원경, 천왕성 대기 3차원 지도 첫 공개

제임스웹 우주망원경(JWST)이 태양계의 얼음 행성으로 알려진 천왕성의 상층 대기 구조를 정밀 관측하는 데 성공하면서, 행성 대기와 자기장 상호작용에 대한 새로운 단서를 제공했다. 국제 연구진은 근적외선 분광 장비를 이용해 천왕성의 대기 상층부에서 나타나는 에너지 흐름과 오로라 발생 과정을 분석했으며, 해당 연구 결과는 국제 학술지 **‘지구물리학 연구회보(Geophysical Research Letters)’**에 발표됐다.

이번 관측은 JWST에 탑재된 **근적외선 분광기(NIRSpec)**를 활용해 진행됐다. 연구진은 천왕성이 자전하는 약 하루 동안 행성을 지속적으로 추적 관측하며 대기 상층부에서 발생하는 변화들을 분석했다. 이러한 방식으로 수집된 데이터는 행성 대기에서 에너지가 어떻게 이동하고 분배되는지를 파악하는 데 중요한 정보를 제공했다.

연구를 이끈 영국 노섬브리아대학교의 파올라 티란티(Paola Tiranti) 연구팀은 천왕성 구름 상단에서 약 5000㎞ 높이까지 이어지는 대기층을 분석했다. 이 영역은 **전리층(ionosphere)**으로 불리며, 태양 복사와 입자 충돌에 의해 대기가 이온화되는 구간이다. 전리층에서는 대기 입자와 행성의 자기장이 강하게 상호작용하며 다양한 우주 환경 현상이 나타난다.

연구진은 이 전리층 영역에서 이온 온도와 밀도를 3차원 형태로 지도화하는 데 성공했다. 분석 결과에 따르면 이온 온도는 약 3000~4000㎞ 고도 구간에서 가장 높은 값을 기록했고, 이온 밀도는 1000㎞ 부근에서 최고 수준에 도달한 것으로 나타났다. 유럽우주국(ESA)은 이러한 분포 차이가 천왕성의 독특한 자기장 구조와 깊은 관련이 있다고 설명했다.

천왕성은 태양계 행성 가운데서도 자기장이 크게 기울어진 구조를 가진 것으로 알려져 있다. 이러한 비대칭적인 자기장 때문에 대기 상층부에서 입자들이 이동하는 경로가 복잡하게 형성된다. 이번 관측에서도 자기장의 영향이 뚜렷하게 확인됐으며, 특히 자기극 주변에서 두 개의 밝은 오로라 띠가 형성된 모습이 확인됐다.

오로라 띠 사이 영역에서는 이온 밀도와 오로라 방출량이 모두 낮아지는 현상도 관측됐다. 연구진은 이 현상이 자기장 선 사이에 형성된 전이 영역에서 발생한 것으로 추정했다. 이러한 구조는 과거 목성 상층 대기에서도 유사하게 발견된 사례가 있어 행성 자기장과 대기 상호작용을 이해하는 데 중요한 비교 자료가 될 것으로 평가된다.

이번 연구는 천왕성 상층 대기를 3차원적으로 분석한 첫 사례라는 점에서도 의미가 크다. 과거 천왕성 탐사는 1986년 보이저 2호의 근접 관측 이후 제한적인 데이터에 의존해 왔다. 이후 지상 망원경과 우주 관측 장비들이 간헐적으로 데이터를 확보했지만, 대기 상층 구조를 입체적으로 분석하는 데는 한계가 있었다.

또한 연구팀은 이번 관측을 통해 천왕성 상층 대기가 지난 수십 년 동안 지속적으로 냉각되고 있다는 기존 연구 결과도 다시 확인했다. 측정된 평균 대기 온도는 약 섭씨 영하 153도로 나타났으며, 이는 일부 이전 관측에서 제시된 수치보다 낮은 수준이다. 이러한 온도 변화는 행성 대기의 에너지 균형과 태양 복사 영향 등을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다.

파올라 티란티 연구원은 발표된 성명을 통해 “이번 관측으로 천왕성의 상층 대기를 처음으로 3차원적으로 분석할 수 있게 됐다”며 “제임스웹 우주망원경을 활용하면 행성 대기를 따라 에너지가 상층으로 이동하는 과정을 추적할 수 있을 뿐 아니라 비대칭적인 자기장이 미치는 영향까지 확인할 수 있다”고 설명했다.

그는 이어 “이러한 연구는 천왕성뿐 아니라 태양계 외부의 거대 행성들을 이해하는 데도 중요한 단서를 제공할 것”이라며 향후 행성 대기 연구와 외계 행성 탐사에 있어 중요한 발전이 될 것이라고 강조했다.