외계행성 엘리아스 2-24b 포착, 형성 100만년 미만 최연소 기록
국제 공동 연구진이 지구에서 약 450광년 떨어진 곳에서 형성된 지 100만년이 채 되지 않은 외계행성을 발견했다. 이 천체는 목성과 비슷한 질량을 지녔으며, 이름은 ‘Elias 2-24 b’로 명명됐다. 아직 모항성을 감싸는 두껍고 짙은 가스와 먼지로 이루어진 원시행성계원반 안에 머물러 있는 상태다.
행성의 이름은 이 관측 영역에서 어린 천체들의 분포도를 작성한 천문학자 J. H. Elias의 이름을 딴 모항성 ‘Elias 2-24’에서 따왔다. 연구진은 이 별을 둘러싼 원반 구조에서 발견된 틈새에 주목했고, 새 천체의 정밀한 위치를 측정하는 작업을 이어왔다. 지속적인 추적 관측을 통해 원반 주변 구조의 물리적 특성이 점차 밝혀졌다.
이번 관측 결과는 학술지 The Astrophysical Journal Letters에 실린 동료 심사 논문을 통해 공식 발표됐다. 종전까지 가장 어린 외계행성으로 꼽혔던 것은 PDS 70과 WISPIT 2 항성계에 속한 4개 천체로, 이들의 나이는 500만년 이상이었다.
기존 행성 형성 이론에 따르면 목성급 거대 가스행성이 태양과 목성 사이 거리에서 응집하려면 약 500만년이 걸린다. 중심별에서 멀어질수록 물질 밀도가 급격히 낮아지기 때문에 형성 기간은 더 길어질 것으로 예측돼 왔다. 이번에 발견된 천체는 이런 이론적 예측을 크게 앞당기는 나이를 보였다.
Elias 2-24 b의 나이는 100만년 미만이며, 지구와 태양 사이 평균 거리의 55배에 달하는 궤도 반경을 돌고 있다. 이렇게 먼 거리에서 이토록 빠르게 성장했다는 사실은 거대 천체의 물질 축적 속도를 다루는 기존 수학적 계산에 수정이 필요하다는 점을 보여준다.
칠레 천체물리학연구소 교수이자 이번 논문의 공동저자인 Lucas Cieza는 NASA 발표문에서 기존 모델로는 과거 최연소 기록을 세운 천체조차 설명하기 어려웠다고 밝혔다. 그는 현재의 이론 체계에 근본적인 설명 공백이 있다고 강조했다. 빠른 물질 응축을 뒷받침할 새로운 이론 정립이 시급하다는 지적이다.
이번 관측 데이터는 Elias 2-24를 둘러싼 원반의 역학적 움직임을 두고 천문학자들 사이에서 약 10년간 이어져온 논쟁에 마침표를 찍었다. 칠레에 설치된 아타카마 대형 밀리미터파·서브밀리미터파 집합체(ALMA)의 정밀 데이터가 모항성 주변 물질대에서 명확한 물리적 틈을 포착한 바 있다.
칠레 유럽남방천문대(ESO)가 운영하는 초대형망원경(VLT)은 연구진이 공전 운동을 추정하던 바로 그 빈틈에서 미약한 빛을 감지했다. 검출된 신호는 극히 희미했다. 연구원들은 이 발광을 궤도 운동 중인 천체 후보로 기록했다.
칠레 디에고포르탈레스대학교 소속 Andrea Bernardi는 하와이 W. M. 케크천문대에 보관된 7개 항성 관측 기록을 다시 정밀 분석했다. 조사 대상이 된 모든 원반 구조에는 새 천체의 중력 활동으로 생긴 물질 불연속면이 새겨져 있었다.
연구팀은 코로나그래프로 중심별의 강한 빛을 차단하고 원반 틈새에 숨어 있는 미약한 가시광 신호를 추출했다. 신호는 실재했다. 이 차광 기법 덕분에 모항성의 눈부신 빛에 가려져 있던 천체의 모습이 드러났다.
연구진은 2018년과 2020년 같은 망원경이 얻은 관측 기록을 대조해 발광체의 위치 변화를 면밀히 비교했다. 산출된 공전 궤적 덕분에 Elias 2-24 b의 실재가 입증됐으며, 기기 내부 잡음이나 배경에 위치한 먼 항성일 가능성은 완전히 배제됐다.
Bernardi는 공식 발표에서 행성은 스스로 틈을 깎아내며 성장하기 때문에 바로 그 틈 안에 위치해야 한다며, Elias 2-24 b를 발견한 지점이 정확히 예상했던 영역이었다고 말했다. 이 일치는 탐사 기법의 타당성을 증명한다. 연구진은 여러 독립적인 데이터를 결합해 결론을 확정했다고 설명했다.
희미한 빛을 잡아내는 관측 기법의 한계와 극복 과정
항성과 그 주변 천체는 가스와 우주 먼지가 밀집한 암흑 분자운 깊숙한 곳에서 태어난다. 중력 수축 과정에서 생긴 남은 물질은 평평한 고리 모양의 원반을 이루고, 작은 입자들이 서서히 충돌하며 뭉치는 동안 물질 사이 틈을 깎아낸다.
외계행성 탐사에서 가장 많은 성과를 낸 방식은 천체가 항성 앞을 지나갈 때 생기는 주기적인 밝기 감소를 포착하는 통과법이다. 이 기술은 궤도가 시선 방향과 겹치는 천체에 특히 효과적이며, 지금까지 발견된 수천 개 외계행성의 기반이 됐다.
하지만 통과법은 짙은 먼지에 덮인 환경이나 모항성에서 멀리 떨어진 넓은 궤도에서는 탐지 능력이 크게 떨어진다. 현재까지 확인된 약 6000개 외계행성 대다수가 모항성 가까이서 수십억년을 지낸 성숙한 천체에 쏠려 있는 이유가 여기에 있다.
Cieza는 은하계 안에서는 끊임없이 새로운 별과 행성이 태어나고 있으며 각 진화 단계에 있는 천체는 무수히 많지만, 관측 장비의 물리적 성능이 탐색 한계를 결정짓는다고 설명했다. 이론상으로는 전 과정을 관찰할 수 있다고 덧붙였다. 현장에서는 관측 기술의 혁신이 요구되고 있다.
Elias 2-24 b의 궤도 추적 데이터는 행성계가 탄생 직후 거치는 유년기 물리 상태를 규명하는 데 결정적인 실증 자료를 제공한다. 직접 촬영으로 얻은 정보는 수십억년 전 태양계가 겪었던 형성 초기 단계를 정확히 복원하는 단서가 된다.
Bernardi는 Elias 2-24 b의 확인이 여러 독립된 광학 관측 장비의 측정값을 다각도로 대조하는 작업 끝에야 비로소 이뤄졌다고 밝혔다. 단일 장비만으로는 확증을 얻기 어려웠다고 지적했다. 장기간에 걸친 지속적인 감시 체계가 이번 성과로 이어졌다.
NASA가 개발 중인 낸시 그레이스 로먼 우주망원경 등 항성의 강한 빛을 차단하는 고성능 코로나그래프를 탑재한 차세대 장비는 관측 한계에 있는 어두운 천체 탐지를 한층 쉽게 만들 전망이다. 최신 기기가 미약한 빛을 포착해낼 것으로 기대된다.
이 신형 우주망원경은 목성급 질량을 지닌 안쪽 궤도 천체를 세밀하게 포착할 계획이며, Cieza는 현재 기술 수준으로 행성의 탄생 과정을 실시간으로 관찰하는 단계에 도달했다고 밝혔다. 과학자들은 새로운 관측 데이터 확보를 위한 준비를 진행하고 있으며, 관측망 확장 작업도 함께 이뤄지고 있다.
