외계 행성 도는 ‘외계의 달’ 처음 발견했다

곽노필의 미래창
635광년 거리 목성형 가스행성에서
가스 분출하는 화산 위성 존재 감지

과학자들이 외계 행성 주변에서 처음으로 위성의 존재에 관한 증거를 확보했다. 지구에서 635광년 거리에 있는 외계 행성 WASP-49 b 주변에서 발견된 나트륨 구름은 화산 위성이 만든 것일 수 있다. 나사 제공

과학자들은 지상 또는 우주망원경을 이용해 지난 30여년 동안 5천개가 훨씬 넘는 외계행성을 발견했다. 똑같은 우주 법칙이 적용된다면 외계행성도 우리 태양계 행성들과 마찬가지로 위성을 거느리고 있을 것이다. 그러나 행성보다 작은 위성을 찾아내기란 쉽지 않다.

미국 캘리포니아공대가 중심이 된 국제연구진이 외계행성의 위성이라는 증거로 보이는 천체를 처음으로 발견해 국제학술지 ‘천체물리학 저널 레터스’에 발표했다.

연구진이 위성의 존재 가능성을 발견한 천체는 635광년 거리에 있는 가스행성 WASP-49b다. 2012년에 발견한 이 행성은 크기는 목성만 하고 질량은 목성의 37%로 토성과 비슷하다. 2017년엔 이 행성 주변에서 나트륨 구름이 발견됐다.

연구진은 칠레에 있는 유럽남방천문대(ESO)의 초거대망원경(VLT)으로 이 나트륨 구름을 집중적으로 관찰했다. 이 가스행성은 주로 수소와 헬륨으로 구성돼 있기 때문에 나트륨 구름이 이 행성에서 나온 것으로 보기는 어려웠기 때문이다.

망원경의 분광기 관측 데이터를 분석한 결과 이 나트륨 구름은 목성의 활화산 위성인 이오에서 분출되는 가스와 특성이 비슷한 것을 발견했다. 태양계에서 화산 활동이 가장 활발한 이오의 화산은 나트륨과 유황 등의 가스를 분출해 구름을 만든다. 이 구름의 크기는 목성의 1000배에 이를 정도로 거대하다.

연구진은 구름의 움직을 추적한 끝에 이 구름의 발원지가 모행성이나 중심별이 아니라 별도의 궤도를 돌고 있는 위성일 가능성이 크다는 결론을 내렸다.

외계 행성 WASP-49 b(왼쪽)와 중심별(오른쪽) 사이에 있는 화산 위성을 묘사한 그림. 나사 제공

행성 중력이 화산 활동 유발…초당 100톤 뿜어내

연구진은 지상의 천체망원경을 사용해 별 앞을 지나가는 구름과 외계행성의 그림자를 관찰했다. 그 결과 나트륨 구름이 행성보다 더 빨리 움직일 뿐 아니라 지구에서 더 멀어지는 걸 확인했다. 연구진은 구름이 외계행성에서 나온 것이라면 지구쪽으로 이동해야 하는데 정반대의 움직임을 보인다는 건 이 구름의 출처가 다른 곳이라는 걸 의미한다고 판단했다. 화산 위성에서 나오는 물질의 양은 초당 100톤으로 추정됐다.

이오의 화산 활동은 목성의 중력이 만들어내는 조석력이 이오의 내부에 마찰열을 일으켜 이뤄진다. 조석력이란 다른 천체로부터 받는 중력의 힘이 천체에 가까운 쪽과 먼 쪽이 서로 다른 데서 발생하는 힘이다. 지구에서 썰물과 밀물을 일으키는 힘도 조석력이다.

이오의 경우 강력한 조석력은 최대 300km 높이까지 용암을 뿜어낸다. 과학자들은 WASP-49 b의 중력이 위성에 가하는 조석력은 훨씬 더 강할 수 있을 것으로 추정했다.

연구진은 또 이 행성이 중심별을 공전하는 주기가 2.8일이며, 이 기간 동안 구름이 별이나 행성 뒤에서 불규칙하게 나타났다 사라졌다 하는 걸 확인했다. 연구진이 외계 위성이 있다는 가정 아래 컴퓨터 모델을 만들어 돌려본 결과 위성의 공전주기가 8시간일 경우 이런 현상이 나타날 수 있는 것으로 드러났다.

연구진은 위성의 존재를 확인하려면 추가 관측이 필요하다고 밝혔다. 또 이 위성이 지구와 비슷한 크기라면 훗날 모행성의 중력에 의해 붕괴될 수 있다고 밝혔다.

일부 학자들은 WASP-49 b처럼 중심별에 가까운 행성은 위성 자체를 안정적으로 유지하기 힘들 것으로 본다.

*논문 정보

DOI 10.3847/2041-8213/ad6b29

Redshifted Sodium Transient near Exoplanet Transit.

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr