최근 플로리다 대학교 배재한 교수(Prof. Jaehan Bae)가 이끄는 천문학 연구팀은 지금까지 발견된 외계 행성 중 가장 어린 행성을 발견했다고 보고했다. 이뿐만이 아니다. 연구팀은 위 행성 주변에서 행성 주위 원반(Circumplanetary disk)을 발견했는데 위 원반에서 가스를 발견했다.

천문학자들은 오랫동안 외계 행성 주위에 행성 주위 원반의 존재를 의심해왔지만 이에 대한 관측은 쉽지 않았다. 위 원반은 현재까지 세 번째로 발견된 행성 주위 원반인데, 인류 역사상 처음으로 가스가 발견된 행성 주위 원반으로 천문학계에서도 매우 큰 의미를 지니는 발견이다.

행성 주위 원반의 형성

태양계가 태어날 때 내부의 가스와 먼지는 원시 행성계 원반(Protoplanetary disks)을 이루며 모항성을 돌게 된다. 이들은 충돌, 성장, 상호작용을 통하여 행성이나 미행성 등 여러 다른 천체로 진화하곤 한다. 거대한 행성이 형성되기 시작하면 항성을 둘러싸고 있는 원시 행성계 원반에서는 형성되고 있는 행성 주위로 작은 틈이 생기게 된다.

행성에 붙잡힐 수 있는 최대 중력 범위인 힐 스피어(Hill sphere) 내 행성 주위 강착 물질들은 각운동량을 보존하기 위하여 행성 주변 원반을 형성하기 시작한다. 따라서 원시 행성계 원반과 비슷하게 행성 주위 원반 역시 젊은 행성 주위에 가스, 먼지 그리고 다양한 크기의 파편 등이 모여있다. 이후 행성의 성장은 행성 주위 원반을 통한 가스 강착에 의해서 제어되게 된다.

행성 주위 원반 내에서는 달과 같은 작은 암석형 물체들이 형성될 수 있는데, 이를 통해 원반 중앙의 행성이 거대한 행성으로 진화하는 것이 제어되기도 한다. 이처럼 행성 주위 원반은 행성의 위성 (달) 형성에 매우 중요한 역할을 하게 된다.

따라서, 행성 주위 원반의 초기 단계를 연구할 수 있으면 45억 년 전 목성 주위의 원반에서 형성되었다고 생각되는 목성의 갈릴레이 위성 등을 포함하여 우리 태양계 형성에 관한 수많은 궁금증을 해결할 수 있다. 실제로 목성 및 토성의 고리와 평면상으로 동일 궤도를 유지하고 있는 여러 위성들은 행성 주위 원반에서 형성되다고 예측되고 있다.

AS 209 태양계는?

AS 209는 지구에서 약 395광년 떨어진 뱀주인자리에 위치해 있는 K등급의 젊은별이다. 위 태양계는 최근 천문학계에서 큰 관심을 받는 천체 중 하나이다. 이는 위 태양계 내에서 행성 형성이 진행 중인 것으로 추정되는 7개의 중첩 고리로 이루어진 먼지 구조가 관측되었기 때문이다.

앞선 설명처럼 행성은 어린 별 주위의 원반 내에서 형성되기에, 행성의 형성 과정은 원반의 화학적 그리고 물리적 특징과 밀접하게 연결되어 있다.

위 태양계는 IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296 및 MWC 480 태양계의 원반 등과 함께 원반의 화학 및 물리적 구조를 파악하며 행성의 형성을 이해하기 위한 ALMA MAPS(Molecules with Atacama Large Millimeter/submillimeter Array at Planet-forming Scales) 프로그램의 주 타겟 천체 중 하나이다.

참고로, ALMA MAPS 프로그램은 ALMA 망원경을 이용하여 위 항성계 내 원반의 먼지와 디스크의 화학 구조, C/N/O/S 비율 및 금속 함량비(O/H 및 C/H), 디스크 전체에 퍼져있는 유기 화합물의 함량 및 구조 파악, 원반 내의 먼지 및 가스 구조 및 밀도, 그리고 마지막으로 행성 형성과 관련된 원반 특징 등에 대해서 여러 변수들은 확인하고자 시작된 프로그램이다.

행성 주위 원반의 관측

천문학자들은 2018년부터 행성 형성 과정을 포함하고 있는 행성 주위 원반을 발견했다. (관련 기사 보기 - ‘외계 달의 탄생 순간을 포착하다?’)

이들은 성공적인 고해상도 관측을 바탕으로 기존의 행성 및 위성 형성 이론을 포함한 수치계산 모델 결과와 비교하며 행성과 원반이 밀접하게 연관되어 있음을 확인했다.

본 연구에서는 과거 연구들에 이어서 세 번째로 행성 주위 원반을 관측하는 데 성공했는데, 구체적으로 AS 209 항성으로부터 200 천문단위(AU: Astronomical Unit, 1 천문단위는 태양과 지구 간의 평균 거리로 약 1억 5천만 km를 나타냄) 이상 떨어져 있는 목성 질량 정도의 행성을 둘러싼 행성 주위 원반을 발견했다. 위 연구들은 어린 태양계 내 행성 주위 원반에서 행성 형성과정의 신비를 밝혀주는 중요한 단서가 될 것으로 기대를 모으고 있다.

배 교수에 따르면 실제로 행성 형성을 연구하는 가장 좋은 방법은 행성이 형성되는 동안의 천체를 관측하는 것이라고 한다. 우주의 역사는 영겁에 가까우며 우리가 관측할 수 있는 시기는 극히 짧은 시간이기에 여러 다양한 진화 단계의 행성 형성과정을 관측하여 퍼즐을 맞추는 편이 현명하기 때문이다. 배 교수는 ALMA 전파 망원경 및 제임스 웹 우주 망원경과 같은 강력한 망원경 덕분에 이런 관측이 가능해지고 있으며, 이처럼 우리는 매우 흥미로운 시기에 살고 있다고 설명했다.

행성 주위 원반에서 가스 관측

행성 주위 원반의 발견만으로도 매우 큰 의미를 지니지만, 본 연구에서는 행성 주위 원반 내에서 가스까지 관측했다. 행성 주위 원반 역시 원시 행성계 원반처럼 가스와 작은 먼지들로 구성되어 있다. 이중 가스가 원반 전체 질량의 절대적인 부분을 차지하지만, 관측이 어려워 지금까지 발견되지 못했다. 가스의 관측은 행성 대기의 발달과 달이 형성되는 과정에 대한 직접적인 힌트를 제공해주기에 매우 중요한 발견으로 여겨진다.

본 연구에서는 AS 209의 원시 행성계 원반에서 발견된 행성 주위 원반의 ¹³CO 방출을 관측했다. 이는 외계 행성을 둘러싼 가스 원반 분석의 최초 결과인 만큼, 행성의 과거뿐만 아니라 미래에 형성될 행성의 달이 어떤 진화과정을 거쳐서 형성되는지에 관한 더 많은 정보를 제공해 줄 수 있으리라 기대된다.

특히, 연구팀이 관측한 사실 중 흥미로운 점은 실제 관측된 가스 대 먼지의 질량 비율이 이론에서 예측되던 비율보다 훨씬 더 크다는 점이다. 배교수는 위 관측에서 확인된 가스 대 먼지 질량 비율이 최소 1000 대 1이라고 설명했다.

가장 어린 행성 발견

미 항공 우주국이 제공하는 외계행성 저장소(NASA's Exoplanet Archive)에 따르면, 2022년 8월 14일 현재 천문학자들은 총 5,069개의 외계 행성을 발견했다. 구체적으로 천왕성, 해왕성과 비슷한 행성은 1,774개, 슈퍼 지구(가스나 암석 등의 구성 물질과는 관계없이 지구보다 더 크지만, 가스 행성보다 가벼운 행성들) 1,577개, 가스 거대 행성 1,525개, 지구형 암석 행성 188개, 아직 구성 물질이나 크기가 밝혀지지 않은 행성들 5개 등이 있다. 본 연구에서 발견된 행성은 현재까지 관측된 행성 중 가장 어린 행성으로 예측된다.

이번 발견된 행성의 항성계는 여전히 매우 어린 항성계이기에 가스와 먼지 및 파편들이 여전히 매우 활발한 상호작용을 벌이고 있다. AS 209별의 추정 나이는 대략 160만 년으로 여겨지는데, 이를 통해서 이번 발견된 행성은 지금까지 발견된 행성 중 가장 어린 행성으로 예측된다. 행성의 나이는 대략 모항성의 나이와 비슷할 것으로 추측되지만, 정확한 나이는 아직 밝혀지지 않았다.

위 관측에 관해서 본 연구의 공동 저자이자 프랑스 그르노블 행성학과 천체물리학 연구소의 천문학자 미리암 베니스티 박사(Dr. Myriam Benisty)는 위 관측은 마치 우리 태양계의 과거를 보는 것과 같다고 설명했다.

미스테리한 행성 형성 과정

본 연구에서 발견된 행성은 모항성과의 거리가 200 천문단위 이상이기에 현재 받아들여지고 있는 행성 형성 이론에 부합하지 않는 부분이 있다. 이는 우리 태양계의 가장 바깥 행성인 해왕성의 위치보다도 대략 6배 이상 멀리 떨어진 위치이다.

배 교수팀은 어떻게 이렇게 엄청나게 먼 거리에서 행성이 형성되었는지에 대해서 2가지 모델을 제안한다. 원시 행성계 원반이 충분히 무거워 자체 중력에 의해 원반 일부분이 불안정해 붕괴되며 행성을 형성하거나 행성 형성을 위한 큰 핵을 형성하기에 충분한 질량이 될 때까지 고체 물질의 작은 입자를 천천히 축적하여 행성을 형성하였을 것이라는 가정이다. 그러나 두 모델 모두 관측 데이터와 일치하지 않는다. AS 209의 원시 행성계 원반은 자체 중력에 의한 불안정이 일어나기에는 너무 가볍고, 200 천문단위의 거리에서 고체 물질의 작은 입자를 축적하여 행성이 형성되려면 AS 209 별의 추정 나이보다 더 오랜 시간이 걸리기 때문이다.

하지만 행성이 원시 행성계 안에서 발견됨에 따라서 대부분의 행성이 태양의 영향력 아래 원반에서 진화하며 많은 시간을 보낸다는 추측에는 변함이 없다. 우리 태양계가 아주 어렸을 적 초기 원시 행성계 원반의 크기는 정확하게 짐작하기 어렵지만, 현재 해왕성의 궤도를 통해 이의 대략적인 크기가 가늠될 수 있다. AS209 별의 질량과 크기가 태양과 큰 차이가 없음에도 불구하고 원시 행성계 원반의 크기가 우리 태양의 그것보다 훨씬 더 큼을 상기하면 우리 태양계에도 아직 밝혀지지 않은 해왕성 너머의 행성 존재도 암시된다.

후속 연구가 더 기대된다

앞서서 설명된 여러 천문학적 의문을 해결하기 위해서는 여러 후속 연구가 필요하다. 특히, 배 교수팀이 제출한 해당 천체들의 제임스 웹 우주 망원경 관측 제안서가 이미 선정되었기에 해당 천체들이 8월 내로 관측될 예정이다. 배 교수팀은 제임스 웹 우주망원경을 이용하여 위 행성의 대기와 질량 등을 연구할 예정이며 여러 천문학적 의문을 해결할 계획이다. 연구를 이끈 배 교수는 현재까지 연구된 행성 중 가장 젊은 행성을 상세하게 관측한 이번 관측에 대해서 궁극적으로 "우리가 어디에서 왔는지"에 관한 질문에 대한 답을 제공해줄 것이라고 설명하며 앞으로의 연구에도 큰 기대를 모았다.

해당 연구 논문 보기 - “Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS). A Circumplanetary Disk Candidate in Molecular Line Emission in the AS 209 Disk,” Bae et al (2022), The Astrophysical Journal Letters