‘천문학 교과서 새로 쓴다’…행성 정의 흔드는 천체 발견 [사이언스 브런치]

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세줄 요약

• 갈색왜성 주위 위성 후보 첫 관측
• 도플러 분광법으로 주기 신호 확인
• 외계위성 분류 체계 재정립 필요

“이것은 위성인가 행성인가.” 1995년 외계행성이 처음 관측된 이후 지금까지 6000개가 넘는 행성이 발견됐지만 그 주변을 도는 외계위성의 존재가 확실히 입증된 사례는 한 건도 없었다. 그런데 최근 항성, 갈색왜성, 위성의 3단 계층 구조 시스템이 발견돼 천문학 교과서를 새로 쓰게 됐다.

칠레 디에고 포르탈레스대 천체물리학 연구소, 유럽 남방천문대(ESO), 외계 행성 연구센터(YEMS), 천체물리학 및 기술 연구센터(CATA), 이탈리아 파도바 천문대, 로마 토르 베르가타대, 로마 천문대, 파도바대, 미국 항공우주국(NASA) 고다드 우주비행센터 공동 연구팀은 항성(별)을 공전하는 갈색왜성, 그 갈색왜성을 도는 위성으로 구성된 ‘3단 계층 구조 시스템’을 최초로 관측했다고 밝혔다. 갈색왜성을 도는 위성에 대한 명확한 분류 체계가 없기 때문에 이번에 발견한 천체가 외계행성인지 외계위성인지는 아직 불분명하다. 그러나 이번 발견은 지금까지는 발견되지 않았던 행성계 내 외계위성의 결정적 식별을 향한 중요한 도약의 발판이 될 수 있다. 이 연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’ 7월 23일 자에 실렸다.

갈색왜성은 목성 질량의 13~80배이고 태양 질량의 약 1.2~8%로 행성보다는 크지만 스스로 빛나는 별이 되기에는 질량이 부족해 실패한 별로 불리는 천체다. 중심부에서 안정적인 수소 핵융합 반응을 일으키지 못해 희미한 적외선과 열만 방출한다.

CD-35 2722를 중심으로 한 천체계를 보여주는 그림. 가운데는 새로 발견된 달과 유사한 천체가 있다. 왼쪽에 점 모양으로 보이는 별은 우리 태양 질량의 약 절반 정도이며 이 별을 공전하는 갈색 왜성이 있다. 갈색 왜성은 그림의 오른쪽에서 붉은 갈색으로 보이는 천체다.

유럽 남방천문대(ESO) 제공

지금까지 6000개 이상의 외계행성이 발견됐지만 외계위성이 확실하게 식별·확정된 사례는 한 건도 없었다. 연구팀은 ‘CD-35 2722 B’라고 불리는 갈색왜성 동반천체 주위를 도는 외계위성(exosatellite)의 증거를 발견했다. 이에 과거 태양과 유사한 항성 주위에서 최초의 외계행성을 발견할 때 사용했던 도플러 분광법을 활용해 2023년 10월부터 2026년 2월까지 이 갈색왜성을 모니터링했다.

연구 결과, 최소 1개 이상의 공전 위성이 보내는 것으로 보이는 주기적 신호가 드러났고 2개 위성을 가정하는 역학 모델은 극도로 불안정한 것으로 나타났다. 연구팀은 이 천체 시스템의 물리적 특성을 모델링한 결과 목성 질량보다 약간 작은 천체가 170일 주기로 갈색왜성을 돌고 있는 것을 확인했다.

이 천체는 3단 계층 구조 시스템의 마지막 구성 요소라는 위치상 위성으로 분류하는 것이 타당해 보일 수 있지만 천체의 크기가 행성급이고 항성이나 행성이 아닌 갈색왜성을 돌고 있기 때문에 단순히 ‘외계위성’(exomoon)이라고 부르는 것은 적절하지 않을 수 있다고 연구진은 지적했다. 외계행성을 도는 외계위성은 일반적인 위성으로 쉽게 설명할 수 있지만 갈색왜성을 도는 위성을 같은 이름으로 부를 수 있을지에 대해서는 아직 결정되지 않았다.



연구를 이끈 앨리스 주를로 칠레 디에고 포르탈레스대 교수는 “이번 연구는 시선속도 분석법이라고 불리는 도플러 분광법을 통해 외계위성을 확실하게 탐지할 수 있음을 입증했지만 외계위성에 대한 명확한 분류 체계 정립이 필요함을 시사한다”고 설명했다.

유용하 과학전문기자