Elias 2-24 b 외계행성은 100만 년 미만 나이로 형성되어 450광년 거리에서 목성 질량을 나타낸다
천문학 연구팀이 지구에서 약 450광년 거리에 위치한 우주 공간에서 목성급 질량을 지닌 외계행성 Elias 2-24 b의 존재를 최종 확인했다. 이 천체는 형성된 지 100만 년이 채 되지 않았으며 모항성을 둘러싼 두터운 성간 가스와 먼지 원반 내부에 머무르고 있다.
중심 항성인 Elias 2-24는 젊은 항성 형성 구역을 정밀 관측한 천문학자 J. H. Elias의 이름을 따서 명명되었다. 해당 성계는 새로 태어나는 천체들이 밀집한 영역에 속해 있어 행성 탄생 초기 상태를 연구하는 핵심 거점으로 꼽힌다. 연구팀은 항성 주변의 물질 분포를 장기간 추적했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 The Astrophysical Journal Letters에 공식 발표되었다. 종전 최연소 기록은 PDS 70 성계와 WISPIT 2 성계에 속한 500만 년 이상의 외계행성 4기였다.
기존 천체물리학 이론은 태양과 목성 사이 거리에 해당하는 영역에서 거대 가스 행성이 형성되는 데 최소 500만 년이 걸린다고 계산해 왔다. 모항성에서 멀리 떨어진 외곽 궤도에서는 물질 밀도가 낮아 응집에 훨씬 더 오랜 시간이 소요되어야 한다. 이번 발견은 기존 이론적 시차와 정면으로 대치된다.
Elias 2-24 b는 태양과 지구 간 거리의 55배에 달하는 55AU 거리에서 모항성을 공전하고 있다. 이 수치는 거대 가스 행성이 물질 응축을 완료하는 속도가 기존 예측보다 훨씬 빠를 수 있음을 보여준다.
칠레 천체물리학연구소 교수이자 논문 공동 저자인 Lucas Cieza는 이전 기록을 보유했던 원시 행성들조차 기존 행성 형성 모델로 설명하는 데 어려움이 컸다고 NASA 성명을 통해 언급했다. 그는 표준 이론 체계에 중대한 공백이 존재함을 지적했다. 천문학자들은 새로운 계산법 도입을 검토 중이다.
이번 관측 자료는 Elias 2-24 주변 원반 물질의 이상 징후를 둘러싸고 학계에서 10년 동안 이어졌던 이론적 논쟁을 종식했다. 칠레 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 간섭계인 ALMA는 항성을 둘러싼 원반 사이에서 뚜렷한 물질 결손 틈새를 포착했다.
칠레 소재 유럽남방천문대가 관측을 진행하는 초거대망원경 VLT 역시 연구진이 행성 궤도로 지목했던 지점에서 미세한 광원 신호를 기록했다. 두 지상 망원경의 계측 결과는 동일한 좌표를 지목했다. 과학자들은 광학 신호의 진위 여부를 다각도로 검증했다.
칠레 디에고 포르탈레스 대학교의 Andrea Bernardi 연구원은 하와이 W. M. Keck 천문대에 등록된 7개 항성의 관측 기록을 교차 분석했다. 표본으로 선택된 항성계 모두에서 원시 행성의 성장 과정에서 발생하는 원반 틈새 구조가 나타났다.
연구팀은 중심별의 강한 광량을 차단하기 위해 코로나그래프 광학 장비를 활용했다. 항성 빛을 걸러낸 뒤 원반 간극 내부에서 방출되는 미세한 신호를 직접 추적했다. 첨단 광학 필터가 장비 오차를 최소화했다.
칠레 아타카마 사막에 위치한 전파망원경과 하와이의 케크 천문대에서 확보한 2018년 및 2020년 장기 정밀 관측 자료를 교차 분석한 연구진은 배경 항성의 노이즈를 완벽하게 배제함으로써 이번에 확인된 미세한 광원이 왜소한 원시 항성 주변의 가스 간극을 공전하는 거대 가스 행성의 실재임을 마침내 확증했다. 관측은 성공했다.
Andrea Bernardi 연구원은 원시 행성이 공전 궤도 주변의 물질을 끌어당겨 통로를 형성하므로 원반 틈새 안에서 행성이 포착되어야 한다고 설명했다. 그는 Elias 2-24 b가 바로 그 물리적 빈 공간에서 정확히 확인되었다고 밝혔다. 행성이 주변 성간 물질을 흡수하며 궤도를 넓히는 과정이 시각화되었다.
성간 원반 구조 분석과 우주망원경 관측 기술
항성은 가스와 우주 먼지로 채워진 거대 분자구름 내부에서 중력 수축을 거치며 탄생한다. 중심별 주변에 남은 물질은 회전 원반을 이루며 이 고리 구조 안에서 미립자들이 뭉쳐 행성을 형성한다.
태양계 밖 외계행성을 탐색할 때는 행성이 별 앞을 지나갈 때 별빛이 줄어드는 현상을 포착하는 식현상 관측법이 주로 쓰인다. 행성이 항성 표면을 통과하는 순간의 광도 곡선을 분석하는 원리다. 현재까지 축적된 관측 데이터 대다수가 이 방식에 의존했다.
식현상 탐색 기술은 먼지 구름이 짙거나 궤도 반경이 넓은 원시 행성계에서는 측정 정밀도가 현저히 떨어진다. 실제로 발견된 6천여 기의 외계행성은 항성에 매우 근접한 수십억 년 수명의 천체에 편중되어 있다.
- 모항성 근접 궤도에 집중된 기존 6천여 기 외계행성 표본 분포
- 원시 성간 먼지층 투과 한계로 인한 광학 식현상 탐색법의 오차 발생
- 원반 틈새 물질을 식별하기 위한 고해상도 코로나그래프 기술의 도입
Lucas Cieza 교수는 은하계 전역에서 별과 행성이 끊임없이 만들어지고 있으므로 각 진화 단계의 천체가 수없이 존재한다고 설명했다. 그는 이론상 관측 가능한 대상이 풍부하지만 장비의 기술적 한계가 탐색을 가로막아 왔다고 덧붙였다.
Elias 2-24 b 관측은 초기 행성계 구조를 파악할 수 있는 직접적인 실측 데이터를 제공한다. 천문학자들은 이 관측 자료를 기반으로 수십억 년 전 태양계가 겪었던 원시 형성 단계를 재구성한다.
Andrea Bernardi 연구원은 독립적인 광학 관측 장비들로 시간차를 두고 데이터를 수집해 대조한 과정이 Elias 2-24 b 검증의 핵심이었다고 밝혔다. 서로 다른 관측소가 기록한 궤도 좌표가 완벽히 일치했다. 정밀 측정 자료는 오차 범위를 좁혔다.
NASA가 제작 중인 낸시 그레이스 로만 우주망원경 같은 첨단 관측 기기는 장비 한계를 넘어선 천체 추적을 지원할 예정이다. 이 우주망원경은 별빛 차단 능력을 대폭 끌어올린 차세대 코로나그래프 기술을 탑재한다.
낸시 그레이스 로만 프로젝트는 모항성 안쪽 궤도에 위치한 목성 크기 행성들의 실체를 직접 파악하는 것을 목표로 설정했다. Lucas Cieza 교수는 현재 개발 중인 관측 체계를 통해 행성의 생성 현장을 실시간으로 들여다볼 수 있게 되었다고 밝혔다. 신규 장비들은 우주 관측 영역을 지속적으로 확장한다.
