행성 탄생, 최초로 사진으로 포착

이 그림에서, 유입되는 수소 가스로 인해 성장하는 원시행성 WISPIT 2b가 수소 알파 스펙트럼에서 밝게 빛납니다. MagAO-X 관측기는 이 스펙트럼에 특히 민감합니다. 출처: Joseph Olmsted/STScI/NASA

천문학자 팀은 처음으로 우리 태양계 밖에서 성장하고 있는 행성을 발견했습니다. 이 행성은 먼지와 가스로 이루어진 다중고리 원반의 틈새를 비운 후 형성되었습니다.

애리조나 대학교 천문학자 레어드 클로즈와 네덜란드 라이덴 천문대 천문학 대학원생 리셸 반 카펠레빈이 이끄는 연구팀은 칠레 마젤란 망원경의 애리조나 대학교 MagAO-X 극한 적응 광학 시스템, 애리조나 대학교 대형 쌍안 망원경, 그리고 칠레 유럽 남방 천문대의 초대형 망원경을 이용하여 이 독특한 외계 행성을 발견했습니다. 연구 결과는 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters)에 게재되었습니다.

수년 동안 천문학자들은 어린 별을 둘러싼 수십 개의 가스와 먼지로 이루어진 행성 형성 원반을 관찰해 왔습니다. 이러한 원반 중 다수는 고리에 틈이 있는데, 이는 마치 제설차가 길을 치우듯 근처의 초기 행성이나 원시 행성에 의해 "치워지고" 있을 가능성을 암시합니다. 그러나 지금까지 실제로 발견된 어린 원시 행성은 약 세 개뿐이며, 모두 모별과 인접한 원시 행성 원반 안쪽 가장자리 사이의 빈 공간에서 발견되었습니다. 이 발견 이전에는 어두운 고리처럼 보이는 눈에 띄는 원반 틈에서 원시 행성이 발견된 적이 없었습니다.

"이렇게 관측된 원반 간극이 원시행성으로 인해 발생했다는 이론 논문이 수십 편이나 발표되었지만, 지금까지 아무도 확실한 증거를 찾지 못했습니다."라고 애리조나 대학교 천문학과 교수인 클로즈는 말했습니다. 그는 이 발견을 "엄청난 사건"이라고 칭했습니다. 행성이 발견되어야 할 곳에서 행성이 발견되지 않자, 과학계의 많은 사람들이 여러 원시행성 원반에서 발견되는 고리와 간극 패턴에 대한 다른 설명을 제시하기 시작했기 때문입니다.

"사실, 문헌과 천문학 전반에서 긴장감이 감돌았던 부분은, 우리가 이렇게 어두운 틈새를 가지고 있으면서도 그 안에서 희미한 외계행성을 발견할 수 없다는 점입니다."라고 그는 말했다. "많은 사람들이 원시행성이 이러한 틈새를 만들 수 있다는 것을 의심해 왔지만, 이제 우리는 실제로 가능하다는 것을 알게 되었습니다."

45억 년 전, 우리 태양계는 바로 그러한 원반으로 시작되었습니다. 먼지가 뭉쳐져 주변의 가스를 빨아들이면서 최초의 원시행성들이 형성되기 시작했습니다. 그러나 이 과정이 정확히 어떻게 전개되었는지는 여전히 미스터리로 남아 있습니다. 답을 찾기 위해 천문학자들은 아직 초기 단계에 있는 다른 행성계, 즉 행성 형성 원반, 또는 원시행성계 원반을 연구해 왔습니다.

클로즈의 팀은 클로즈, 재러드 말레스, 그리고 그들의 학생들이 개발하고 구축한 세계 최고의 적응 광학 시스템 중 하나인 적응 광학 시스템을 활용했습니다. 말레스는 스튜어드 천문대의 부천문학자이자 MagAO-X의 수석 연구원입니다. "Magellan Adaptive Optics System eXtreme"의 약자인 MagAO-X는 별이 깜빡거리고 흐릿하게 보이는 현상인 대기 난류를 보정하여 망원경 이미지의 선명도와 해상도를 획기적으로 향상시킵니다. 이 현상은 천문학자들이 두려워하는 부분입니다.

클로즈의 팀은 원시행성 원반의 틈새에 보이지 않는 행성이 숨어 있을 것이라는 의심을 품고 틈새가 있는 모든 원반을 조사하여 수소 알파 또는 H-알파라고 알려진 특정 가시광선 방출을 조사했습니다.

"행성은 형성되고 성장하면서 주변에서 수소 가스를 빨아들입니다. 그 가스가 외계에서 쏟아지는 거대한 폭포처럼 행성 표면에 떨어지면서 극도로 뜨거운 플라즈마를 생성하고, 이 플라즈마가 특정 H-알파 광 신호를 방출합니다."라고 클로즈는 설명했습니다. "MagAO-X는 어린 원시행성 위로 떨어지는 수소 가스를 찾도록 특별히 설계되었으며, 이를 통해 우리는 원시행성을 감지할 수 있습니다."

연구팀은 6.5m 마젤란 망원경과 MagAO-X를 사용하여 최근 VLT로 발견된 디스크 밴 카펠레벤(Disk Van Capelleveen)의 WISPIT-2를 탐사했습니다. H-알파선에서 관측한 결과, 클로즈 연구팀은 금맥을 발견했습니다. 별 주위의 원시행성 원반의 두 고리 사이의 틈에 빛점이 나타났습니다. 또한, 연구팀은 별과 먼지 및 가스 원반의 안쪽 가장자리 사이의 "공동" 안에서 두 번째 후보 행성을 관측했습니다.

"적응 광학 시스템을 켜자마자 행성이 바로 우리 눈앞에서 튀어나왔습니다." 클로즈는 이 발견을 자신의 경력에서 가장 중요한 발견 중 하나로 꼽으며 이렇게 말했습니다. "두 시간 분량의 사진을 합치니 행성이 바로 튀어나왔습니다."

클로즈에 따르면, WISPIT 2b로 명명된 이 행성은 스스로 물질을 축적하는 과정에 있는 매우 드문 원시행성의 예입니다. 모항성인 WISPIT 2는 태양과 유사하며 질량도 거의 비슷합니다. 안쪽 행성 후보인 CC1은 목성 질량의 약 9배, 바깥쪽 행성 후보인 WISPIT 2b는 목성 질량의 약 5배입니다. 이러한 질량은 애리조나 대학교 천문학 대학원생 가브리엘 와이블의 도움으로 애리조나 남동부 그레이엄 산에 있는 애리조나 대학교 8.4m 대형 쌍안경 망원경이 관측한 열적외선에서 부분적으로 추정되었습니다.

"우리 목성과 토성이 지금보다 5,000배 더 젊었을 때의 모습과 비슷합니다."라고 와이블은 말했다. "WISPIT-2 항성계의 행성들은 우리 가스행성들보다 약 10배 더 크고 더 넓게 퍼져 있는 것으로 보입니다. 하지만 전체적인 모습은 근처의 '외계 천문학자'가 45억 년 전 우리 태양계의 '아기 사진'에서 보았을 법한 모습과 크게 다르지 않을 가능성이 높습니다."

"저희 MagAO-X 적응 광학 시스템은 H-알파 파장에서 잘 작동하도록 다른 어떤 시스템보다도 최적화되어 있어 밝은 별빛과 희미한 원시행성을 구분할 수 있습니다."라고 클로즈는 말했습니다. "WISPIT 2 주변에는 행성 두 개, 고리 네 개, 그리고 간극 네 개가 있을 가능성이 높습니다. 정말 놀라운 시스템입니다."

클로즈에 따르면 CC1은 약 14~15 천문단위(AU)로 공전할 것으로 추정되는데, 1AU는 태양과 지구 사이의 평균 거리와 같으므로, 만약 CC1이 우리 태양계에 속한다면 토성과 천왕성의 중간 지점에 위치하게 됩니다. 그 간격을 메우는 행성인 WISPIT-2b는 약 56AU로, 우리 태양계 기준으로는 해왕성 궤도를 훨씬 넘어 카이퍼 벨트 외곽에 위치하게 됩니다.

반 카펠레빈과 갤웨이 대학이 공동으로 주도하여 동시에 출판한 두 번째 논문에서는 적외선 스펙트럼에서 행성을 탐지한 것과 8m VLT 망원경의 SPHERE 적응 광학 시스템을 사용하여 다중 고리 시스템을 발견한 것에 대한 자세한 내용을 설명합니다.

"젊음의 덧없는 시기를 보내는 행성을 보기 위해 천문학자들은 젊은 원반계를 찾아야 하는데, 이는 매우 드뭅니다."라고 반 카펠레빈은 말했다. "왜냐하면 그때가 행성이 정말로 더 밝고 관측 가능한 유일한 시기이기 때문입니다. 만약 WISPIT-2 항성계가 우리 태양계의 나이이고 우리가 같은 기술로 관측한다면 아무것도 볼 수 없을 것입니다. 모든 것이 너무 차갑고 어두울 테니까요."

이 연구는 NASA 외행성 연구 프로그램의 지원으로 일부 진행되었습니다. MagAO-X는 미국 국립과학재단의 지원과 하이징-시몬스 재단의 아낌없는 지원으로 개발되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250908175506.htm