20년 집념으로 태양계 비밀 풀었다... 별 생성 초기 규산염 생성·이동 첫 포착

이정은 서울대 물리천문학부 교수팀
혜성 속 결정질 규산염 비밀 풀어
국내 첫 제임스웹 관측 시간 확보로 이론 증명

이정은 서울대 물리천문학부 교수 연구팀이 제임스웹 우주망원경을 통해 관측한 뱀자리 태아별 EC 53 및 관측값 분석 결과 . 과학기술정보통신부 제공

20년 넘게 별 탄생의 비밀을 연구해온 우리 과학자의 집념이 결실을 맺었다. 이정은 서울대 물리천문학부 교수 연구팀은 별의 탄생 과정에서 결정질 규산염이 만들어지고 이동하는 과정을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다.

이 교수 연구팀은 국내에서 유일하게 인류가 개발한 우주망원경 중 가장 크고 강력한 제임스웹의 관측 권한을 확보했고 이를 활용해 태양계 형성을 둘러싼 천문학계의 오랜 수수께끼를 풀었다. 과학기술정보통신부의 기초연구사업으로 수행된 이 팀의 성과는 22일 국제학술지 '네이처'에 게재됐다.

이정은 서울대 물리천문학부 교수. 과학기술정보통신부 제공

지구의 지각을 구성하는 물질 중 약 90%를 차지하는 규산염은 암석과 금속으로 이뤄진 '지구형 행성'을 구성하는 핵심 성분이다. 규산염의 결정질 형태는 600도 이상 고온에서만 형성되는데, 영하 200도 이하 극저온 환경인 태양계 외곽에서 형성되는 혜성에서도 이 물질이 발견돼 왔다. 이에 규산염이 태양계 형성 과정에서 언제, 어디서 형성되고 어떻게 이동하는지를 밝히는 것은 쉽지 않았다.

연구팀은 이 비밀을 풀기 위해 뱀자리 성운에 위치한 태아별(초기 항성) EC 53에 주목했다. 이 천체는 새로운 행성계를 형성 중인 '어린 태양'으로 약 18개월 주기로 밝기가 빠르게 증가했다 어두워지는 특징을 보인다. 이는 태아별이 성장하면서 주변에 원반 형태로 둘러싸고 있는 물질을 폭식하듯 빨아들이는 '간헐적 강착(폭발기)'과 휴지기가 반복되기 때문이다. 연구진은 제임스웹 우주망원경의 중적외선 분광기를 이용해 EC 53의 휴지기와 폭발기를 관측한 뒤 스펙트럼을 비교했다.

이정은 서울대 물리천문학부 교수 연구팀의 연구 대상인 원시 행성계 태아별 및 주변 원반에 대한 모식도. 과기정통부 제공

관측 결과 연구팀은 태아별이 물질을 빠르게 빨아들이는 폭발기에 결정질 규산염이 생성되는 것을 확인했다. 태아별이 '폭식'하듯 물질을 한꺼번에 빨아들이는 과정에서 방출되는 막대한 에너지가 규산염을 결정화시킨다는 사실을 입증했다. 이렇게 만들어진 결정질 규산염이 '원반풍'을 타고 행성계의 차가운 외곽 영역으로 이동할 수 있다는 점도 확인됐다. 이는 혜성 속 결정질 규산염의 기원을 설명하는 것은 물론, 태양계를 비롯한 여러 행성계의 초기 형성 원리를 밝힌 성과다.

이 교수는 수년간의 연구를 바탕으로 이 현상을 이론적으로 내다봤지만 이를 검증할 수 있는 관측 장비가 없었다. 2021년 제임스웹 우주망원경이 발사되면서 연구는 전환점을 맞았다. 전 세계 수천여 개 팀이 우주망원경 관측을 바라지만 학술적으로 중요한 프로젝트에만 그 기회가 주어진다. 연구팀도 치열한 경쟁을 뚫고 2023년 10월 5일과 2024년 5월 9일, 두 차례에 걸쳐 11시간의 시간을 배정받았다.

이 교수는 19일 과기정통부 브리핑에서 "이 관측 기회를 최대한 활용하기 위해 과거 자료와 정교한 모델링으로 폭발 시점을 예측해 철저히 준비한 덕분에 EC 53 관측에 성공했다"며 "생명의 기원이 되는 물과 유기물이 행성계로 전달되는 과정까지 밝혀낼 계획"이라고 밝혔다.

신혜정 기자 arete@hankookilbo.com