‘얼음행성’ 천왕성 대기층서 오로라 띠 포착 [우주로 간다]

제임스웹 우주망원경(JWST)이 최초로 얼음 행성 ‘천왕성’의 상층 대기를 관측해 빛나는 오로라 등 새로운 특징을 확인했다고 과학전문매체 라이브사이언스가 최근 보도했다.

국제 천문학자들로 구성된 연구진은 JWST의 근적외선 분광기(NIRSpec)를 활용해 천왕성이 하루 동안 자전하는 모습을 추적 관측했다. 이를 통해 대기 상층부에서 에너지가 어떻게 분배되는지, 오로라가 어떤 과정을 거쳐 발생하는지를 분석했다. 연구 결과는 지난 19일 지구과학 분야 국제학술지 ‘지구물리학 연구회보(Geophysical Research Letters)’에 실렸다.

JWST는 작년 1월 천왕성의 자전 현상을 관측해 행성 자기극 근처에서 밝은 오로라 띠(흰색)를 포착했다. (이미지=ESA/Webb, NASA, CSA, STScI, P. Tiranti, H. Melin, M. Zamani)

영국 노섬브리아대학교 파올라 티란티가 이끄는 연구진은 천왕성 구름 꼭대기에서 최대 5,000㎞ 상공까지 이어지는 대기층의 이온 온도와 밀도를 3차원으로 지도화했다. 이 영역은 ‘전리층(ionosphere)’으로 불리는 곳으로, 대기가 이온화돼 행성 자기장과 강하게 상호작용하는 곳이다.

수집된 데이터는 천왕성의 오로라가 형성되는 위치와 비정상적으로 크게 기울어진 자기장의 영향 등을 구체적으로 보여준다. 관측 결과, 이 곳의 이온 온도는 고도 3000~4000㎞ 사이에서 최고치를 기록했으며, 이온 밀도는 약 1000㎞ 부근에서 최대치에 도달했다. 유럽우주국(ESA)은 이러한 차이가 천왕성 자기장의 복잡한 구조에서 비롯된 것이라고 설명했다.

이미지=ESA/Webb, NASA, CSA, STScI, P. Tiranti, H. Melin, M. Zamani

이 같은 기하학적 구조로 인해 천왕성의 자기극 인근에는 두 개의 밝은 오로라 띠가 형성됐다. 반면 오로라 띠 사이 구간에서는 이온 밀도와 오로라 방출량이 모두 감소하는 현상이 나타났다. 연구진은 이를 자기장 선 사이의 전이 영역에서 발생한 현상일 가능성이 크다고 분석했다. 이와 유사한 전이 영역은 목성의 상층 대기에서도 관측된 바 있다.

이번 연구는 천왕성 상층 대기를 3차원으로 최초 측정했다는 점에서도 의미가 있다. 또 1990년대 초반 이후 천왕성 상층 대기가 꾸준히 냉각돼 왔다는 기존 연구 결과를 재확인했다. 천왕성 대기의 평균 온도는 섭씨 영하 153도로, 이는 다른 우주선과 지상 망원경이 측정한 값보다 낮은 수치다.