‘100만 살 미만’ 최연소 외계행성 찾았다…명왕성보다 멀리서 자라는 중

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태어난 지 100만 년도 채 되지 않은 외계행성이 발견됐다. 지금까지 발견된 외계행성 가운데 가장 어린 행성이다. 이 행성은 특히 어린 별을 둘러싼 가스와 먼지 원반 안에서 계속 성장하는 중이어서, 행성이 만들어지는 초기 과정을 들여다볼 드문 기회가 될 것으로 기대된다.

칠레 디에고포르탈레스대가 중심이 된 국제 연구진은 지구에서 약 450광년 떨어진 거리에 있는 어린 별 '엘리아스 2-24'를 공전하는 행성 '엘리아스 2-24 b'를 확인해 16일 국제학술지 '천체물리학 저널 레터스'에 발표했다.

이 행성은 별에서 약 55천문단위(au), 거리로는 약 82억㎞ 떨어져 있다. 1au는 지구와 태양 사이 거리(1억5000만㎞)다. 태양계로 치면 명왕성 궤도보다 멀다. 질량은 목성급으로, 최대 상한치는 목성의 1.9~4.0배로 추정됐다.

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연구진은 이 별이 원반 물질을 빨아들이는 속도가 비교 표본 중 가장 높고 원반도 가장 밝은 점 등을 근거로 별의 나이를 '100만 년 이하'로 잡았다. 이에 따라 행성의 나이도 그만큼 어릴 것으로 추정했다. 이전 최연소 행성 기록은 500만년이 넘는다.

애초 이곳에 행성이 있을지도 모른다는 첫 단서는 10년 전 나왔다. 칠레의 전파망원경 알마(ALMA)가 이 별을 둘러싸고 있는 원반에서 틈을 발견했다. 이후 유럽남방천문대 초거대망원경(VLT)이 틈 속에서 희미한 빛을 포착했다.

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하지만 이론상 이 빛을 행성으로 보기는 어려웠다. 현재의 행성 형성 모델에 따르면 목성 거리에서 목성 크기 행성이 만들어지는 데는 약 500만년이 걸린다. 거리가 멀수록 물질의 밀도가 낮아지기 때문에 행성 형성에 걸리는 시간은 더 길어진다. 그런데 이 빛은 태양-목성 거리의 10배쯤 되는 곳에 있는데도 나이가 100만년 이하로 추정됐다.

기존 이론에는 없는 행성 형성 사례인 듯

연구진은 수수께끼를 풀기 위해 하와이 마우나케아산 정상에 있는 켁 망원경이 2018년 찍은 자료를 분석했다. 원반에 틈이나 구멍이 있는 별 7개를 관측한 자료였다. 원시행성 원반은 갓 태어난 별 둘레를 도는 가스와 먼지 원반으로, 행성을 빚는 일종의 반죽 재료와 같다. 원반 안에서 행성이 태어나면 주변 물질을 쓸어 담아 빈 고랑같은 틈이 생긴다. 분석 결과 7개 별 가운데 엘리아스 2-24의 원반 틈 속에서 행성 신호가 잡혔다. 별빛이 행성보다 약 9000배 밝아, 연구진은 별빛만 가리는 장치(코로나그래프)로 찍은 자료를 분석했다.

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다만 신호의 통계적 유의도는 3.85시그마(1만7천분의 1) 수준으로, 천문학에서 과학적 발견의 기준치로 삼는 5시그마(우연일 확률 350만분의 1)에는 크게 못미쳤다. 그러나 연구진은 2020년 관측에서도 같은 신호를 다시 포착한 점 등을 종합해 행성으로 결론을 내렸다.

거대 행성이 만들어지는 방식은 크게 두 가지다. 하나는 눈덩이를 굴려 키우듯 암석·얼음 핵이 먼저 생기고 여기에 가스가 달라붙어 자라는 ‘핵 강착’ 방식이다. 다른 하나는 무거운 원반이 스스로 중력에 못 이겨 여러 덩어리로 쪼개지면서 한꺼번에 행성이 되는 ‘중력 불안정’ 방식이다.

연구진은 원반 관측에서 틈과 구멍은 흔한 반면 중력 불안정이 남기는 쪼개진 나선팔은 드물고, 이 원반에서도 쪼개짐 흔적이 없다는 점을 들어 엘리아스 2-24 b가 핵 강착으로 생겼을 가능성이 크다고 봤다. 이번 발견이 사실은 핵 강착이 현재 모델의 예측보다 훨씬 빠르게 일어날 수 있다는 사례일 수 있다는 것이다. 공동 저자인 루카스 시에사 교수는 “이번에 확인한 행성은 기존 행성 형성 이론이 담지 못한 중요한 행성 형성 과정이 있음을 보여준다”고 말했다.

*논문 정보

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Searching for Embedded Protoplanets with the Keck/NIRC2 Vortex Coronagraph: Confirmation of a Core-accretion Planet in the Narrow Gap of the Elias 2-24 Disk.