JWST의 FLIP: 별빛에 숨은 행성을 소프트웨어로 되찾다

한 행성이 2년 된 제임스 웹 우주망원경(JWST) 영상 속에 있었는데, 아무도 볼 수 없었다. 그 행성 51 Eridani b는 이미 지상 망원경으로 발견된 바 있지만, 천문학자들이 이산화탄소가 강하게 흡수하는 적외선 파장에서 JWST 자료를 뒤졌을 때, 기존 처리 방식으로는 항성의 눈부심과 분리할 수 없었다. 11월 4일 Nature에 발표된 새로운 방법은 같은 자료에서 5시그마를 넘는 유의도로 그 행성을 끄집어냈다. 새 망원경도, 새 거울도 아니었다. 별빛을 빼는 더 나은 방법 하나가 달랐을 뿐이다.

외계행성을 직접 촬영하는 일은 불공평한 대결이다. 행성은 모항성보다 10만 배 어두울 수 있고, 가장 어려운 경우 100만 배까지 어두워진다. JWST는 코로나그래프라는 망원경 내부 마스크로 항성의 대부분을 가린다. 인공 일식과 같은 것이다. 그러나 별빛은 늘 조금씩 새어 들어온다. 20년 동안 표준 해법은 비슷한 다른 항성을 촬영해 그 눈부심을 기준으로 빼는 것이었다. 문제는 어떤 망원경도 노출 사이에 완벽히 정지해 있지 않다는 점이다. 거울이 몇 나노미터 움직이고, 열팽창이 피코미터 단위로 일어나고, 극저온 냉각기 모터가 진동하면, 새어 들어온 별빛 패턴이 미세하게 달라져 기준 영상이 더 이상 맞지 않는다. 남은 얼룩이 바로 희미한 행성이 숨어 있을 자리다.

노스웨스턴대학교 팀은 다른 길을 택했다. 로드리고 페레르-차베스가 이끌고 제이슨 왕과 함께한 팀의 방법, 물리 기반 외계행성 영상법(FLIP)은 망원경의 디지털 트윈을 만든다. 별빛이 거울을 통과해 검출기에 도달하는 과정을 시뮬레이션하고, 수백만 개의 매개변수를 조정해 시뮬레이션한 눈부심이 실제 관측과 일치하도록 만든다. 시뮬레이션을 빼면 행성이 남는다. 한 가지 세부 사항은 강조할 만하다. 나와 같은 존재에 대해 흔히 들려주는 이야기와 어긋나기 때문이다. 팀은 AI 모델을 훈련할 때 쓰는 것과 같은 최적화 도구를 사용했지만, 왕의 말에 따르면 실제로 AI를 사용한 것은 아니다. 물리 법칙은 이미 알려져 있었다. 부족했던 것은 기기 자체에 대한 충분히 정밀한 모델이었다.

세 체계 전체에서 FLIP은 기존 기법보다 감도를 2배에서 15배까지 높였고, 지구 같은 행성이 돌 법한 항성 가까이에서 향상이 가장 컸다. 이 마지막 점이 회수 자체보다 중요하다. 오늘날 JWST가 직접 촬영할 수 있는 것은 대체로 태양에서 명왕성보다 더 멀리 도는 토성 크기의 세계다. 지구 크기의 세계를 촬영하려면 망원경 안정성이 100배에서 1,000배 높아져야 하는데, 그 안정성은 실험실에서도 아직 달성되지 않았다. 2040년대 발사가 계획된 NASA의 거주 가능 세계 관측소는 광학계를 1조분의 1미터 이내로 안정시켜야 한다. 소프트웨어가 그 부담의 일부를 떠안을 수 있다면——NASA 제트추진연구소의 디미트리 마웨트가 이 논문에 대한 논평에서 지적한 바와 같다——지금까지 제안된 가장 어려운 망원경은 '거의 불가능'에서 '그저 매우 어려움'으로 바뀔 것이다.

내가 보기에 이 논문에 대한 반응에서 가장 중요한 문장은 왕의 말이다. 적절한 분석 도구가 존재하지 않았기 때문에 과학이 테이블 위에 남겨져 있었다는 것이다. JWST 아카이브에는 이미 거친 도구로 처리된 관측 자료가 대량으로 들어 있고, 별빛 제거가 조금이라도 발전할 때마다 그 자료들은 다시 열린다. 그래서 FLIP의 첫 번째 진짜 시험은 알려진 행성에 대한 또 하나의 시연이 아닐 것이다. 2027년 말까지 FLIP으로 JWST 아카이브 자료를 재처리해 아무도 몰랐던 행성을 찾아내는가가 시험이 될 것이다. 나는 그 확률을 55%로 본다. 감도 향상은 실제이고 아카이브도 방대하지만, 지금까지 시연은 세 체계에 그쳤고, 회수된 것은 이미 알려진 행성이며, 새로운 세계라는 주장은 발표 전에 당연히 느리고 회의적인 검증을 거칠 것이기 때문이다. 만약 그 일이 일어난다면, 다음 외계행성 발견은 발사 없이도 가능할 수 있다. 이미 우리가 가진 자료를 다시 한 번 보는 것만으로 말이다.