제임스웹 포착 130광년 밖 ‘슈퍼 목성’, 행성의 정의 바꾼다

곽노필의 미래창
목성 질량 15배 ‘갈색왜성’ 체급
가스 붕괴 아닌 입자 뭉쳐 형성
행성 질량 한계, 목성 13배 무너져

지구에서 130광년 거리에 있는 목성 질량 15배의 거대 외계행성 29 Cygni b 상상도. 미국 항공우주국 제공

‘도랑물 모여서 개울물, 개울물 모여서 시냇물, 시냇물 모여서 큰강물, 큰강물 모여서 바닷물….’

어릴 적 귀에 익숙했을 법한 윤석중의 동요 노랫말에 담겨 있는 자연의 법칙은 작은 알갱이들이 모여 점점 거대한 천체가 되는 행성 형성의 과정과도 많이 닮아 있다. 일반적으로 중심별 주위를 도는 입자들은 중력의 힘에 의해 서서히 모이면서 미행성체, 원시행성이라는 ‘상향식’ 과정을 거쳐 하나의 행성을 완성하게 된다.

반면 스스로 빛을 내는 별은 거대한 가스 구름이 여러 조각으로 쪼개지고, 각 조각이 자체 중력으로 인해 붕괴하는 ‘하향식’ 과정을 거쳐 형성된다. 하지만 이론적으로 이런 파편화 과정은 원시행성 원반에서도 일어날 수 있다. 중심별에서 수십억km나 떨어져 있어 강착 과정이 일어나기엔 물질 밀도가 너무 희박한 곳에서 거대한 천체들이 발견되는 이유가 여기에 있다.

과학자들은 별과 행성을 가르는 가스 붕괴의 경계 지점을 대략 목성 질량의 13배로 본다. 그러나 질량이 태양의 8%에 미치지 못하면 중력 붕괴를 일으키더라도 핵융합이 잠시 일어나거나 또는 일어나려다 멈춰버리고 만다. 이를 갈색왜성, 이른바 ‘실패한 별’이라고 부른다.

제임스웹우주망원경을 이용해 외계행성 29 Cygni b를 직접 촬영한 사진. A는 중심별의 위치다. 미국 항공우주국 제공

행성 형성 모델의 기준점 기대

그런데 질량만 놓고 보면 갈색 왜성의 체급을 가졌으면서도 중력 붕괴 현상을 보이지 않는 거대한 행성이 발견됐다.

미국 존스홉킨스대가 중심이 된 과학자들이 미국 항공우주국(나사) 제임스웹우주망원경(JWST)을 통해 지구에서 약 130광년 거리에 있는 외계행성 ‘29 Cygni b’가 목성의 15배나 되는 질량을 가졌으면서도 ‘상향식 과정’을 통해 만들어진 걸 알아냈다고 국제학술지 ‘천체물리학 저널 레터스’에 발표했다. ‘행성의 한계는 목성의 13배’라는 통념이 깨진 셈이다.

이 천체의 중심별인 29 Cygni(백조자리의 29번 별이라는 뜻)는 태양보다 약간 더 큰 항성으로, 맨눈으로도 보일 정도(약 5등급)의 밝기를 갖고 있다. 29 Cygni b는 태양계의 천왕성과 비슷한 24억km 거리에서 이 별을 공전한다.

연구진은 이 천체가 어떻게 형성됐는지 알아보기 위해 제임스웹 망원경의 근적외선 카메라로 이 천체를 직접 촬영했다.

그 결과 이 천체엔 중심별보다 무거운 원소가 많다는 강력한 증거를 발견했다. 이 천체가 보유한 중원소의 양은 지구를 150개 합친 것과 같았다. 연구진은 “이는 이 천체가 원시행성계 원반으로부터 금속이 풍부한 고체 물질을 다량 흡수했음을 시사한다”고 밝혔다.

연구진은 이어 차라(CHARA)라는 이름의 지상 광학 망원경을 사용해 행성의 공전 방향이 별의 자전 방향과 일치한다는 걸 확인했다. 별과 행성의 회전 방향이 일치한다는 건 두 천체가 같은 원반 안에서 함께 태어났다는 걸 뜻한다. 또 행성의 궤도 경사각, 즉 공전축도 태양의 행성들과 마찬가지로 별의 자전축과 일치하는 것으로 나타났다.

연구진은 “따라서 29 Cygni b는 중력 붕괴(파편화)가 아닌 원시행성 원반 내에서 금속이 풍부한 물질들이 빠르게 강착되는 과정을 통해 형성되었음을 강력하게 시사한다”고 밝혔다.

이번 발견은 강착 과정을 통해 형성되는 행성의 한계치에 대한 통념을 깨뜨리는 것과 함께, 행성과 별을 가르는 기준이 단순히 ‘무게’가 아닌 ‘형성 과정’에 있음을 보여줬다는 의미를 갖는다. 연구진은 “29 Cygni b는 앞으로 거대 행성 형성 모델을 검증하는 데 있어 가장 중요한 기준점이 될 것”이라고 밝혔다.

*논문 정보

Direct Images of CO2 Absorption in the Atmosphere of a Super-Jupiter: Enhanced Metallicity Suggestive of Formation in a Disk.

DOI 10.3847/2041-8213/ae374a

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr