경계에 선 행성

지구에서 133광년 떨어진 곳에 기묘한 천체가 있다. '29 시그니 b(29 Cygni b)'로 명명된 이 가스 거성은 목성의 약 15배에 달하는 질량을 가지고 있으며, 행성과 별 사이의 경계를 가로질러 존재한다. 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 이 천체를 직접 관측하면서, 수십 년간 천문학계를 괴롭혀 온 질문에 실마리가 포착됐다. 초거대 행성은 대체 어떻게 탄생하는가.

두 가지 탄생 방식, 하나의 천체

행성 형성 이론에는 크게 두 가지 경로가 있다. '상향식(bottom-up)' 형성은 암석과 얼음 조각들이 수백만 년에 걸쳐 뭉쳐 행성이 되는 과정이다. 지구와 같은 암석형 행성, 그리고 목성 같은 일반적인 가스 거성도 이 방식으로 만들어진 것으로 여겨진다.

반면 '하향식(top-down)' 형성은 원시행성계 원반의 고밀도 가스·먼지 덩어리가 중력에 의해 직접 붕괴하며 탄생하는 방식으로, 별이 만들어지는 원리와 동일하다. 질량이 지나치게 큰 행성은 상향식 과정만으로는 설명이 어렵다는 것이 정설이었다.

29 시그니 b는 이 두 경로의 경계에 위치한다. 질량만 보면 하향식 형성을 암시하지만, 모항성으로부터의 평균 거리가 약 24억 킬로미터(우리 태양계의 천왕성 궤도와 유사)에 달하는 넓은 공전 궤도는 상향식 형성의 단서로 해석될 수 있다.

JWST가 포착한 세 가지 증거

연구팀은 JWST의 근적외선 카메라(NIRCam)를 활용해 29 시그니 b를 직접 촬영했다. 이번 관측 프로그램은 모항성으로부터 약 150억 킬로미터 이내를 공전하고 질량이 목성의 115배 사이인 외계행성 4개를 순차적으로 관측하는 계획의 일환이다. 대상 행성들은 모두 형성된 지 얼마 되지 않아 섭씨 5301,000도의 고온을 유지하고 있어 대기 화학적 특성이 유사할 것으로 예측됐다.

연구팀이 이산화탄소와 일산화탄소가 흡수하는 빛을 분석한 결과, 세 가지 핵심 사실이 드러났다.

첫째, 29 시그니 b의 대기는 지구보다 약 150배 높은 '금속 함량'을 보였다. 천문학에서 '금속'이란 헬륨보다 무거운 모든 원소를 가리키는 용어다.

둘째, 이 행성은 자신의 모항성보다도 훨씬 높은 금속 함량을 나타냈다. 이는 행성이 형성되는 과정에서 원시행성계 원반의 금속이 풍부한 물질 덩어리들을 대량으로 흡수했음을 시사한다. 상향식 형성 과정에서 나타나는 전형적인 특징이다.

셋째, 29 시그니 b의 공전 궤도 방향이 모항성의 자전 방향과 일치했다. 이는 이 행성이 원시행성계 원반 내에서 형성됐음을 강력히 지지하는 증거다.

행성과 별 사이의 경계, 수십 년의 논쟁

행성 형성론의 핵심 쟁점은 오래된 문제다. 1990년대 외계행성 탐색이 본격화되면서, 천문학자들은 목성의 수 배에서 수십 배에 달하는 거대 가스행성들을 속속 발견했다. '갈색왜성(brown dwarf)'이라 불리는 이 경계 영역 천체들은 핵융합을 일으키기엔 질량이 부족하지만, 일반 행성이라 부르기엔 지나치게 거대하다.

목성 질량의 약 13배가 중수소 핵융합의 최소 기준으로 알려져 있으며, 이 경계를 둘러싸고 행성이냐 별이냐의 논쟁이 이어져 왔다. 2000년대 이후 케플러 우주망원경과 지상 관측 기술의 발전으로 관측 사례가 늘었지만, 형성 메커니즘에 대한 직접적 증거는 부족했다.

JWST가 2022년 본격 가동을 시작하면서 외계행성 대기 분석에 혁신이 이뤄졌다. 고분해능 적외선 분광 능력 덕분에 수백 광년 떨어진 천체의 화학 조성을 상세히 파악할 수 있게 된 것이다.

앞으로의 전망 [AI 분석]

이번 연구는 초거대 행성도 상향식 과정을 통해 형성될 가능성이 있음을 보여주는 중요한 사례로 평가될 가능성이 높다. 다만 단일 천체의 관측만으로 결론을 내리기는 이르다.

연구팀이 진행 중인 나머지 3개 외계행성 관측이 완료되면, 초거대 행성의 금속 함량과 궤도 정렬이 보편적인 특성인지 판단할 수 있을 것이다. 만약 유사한 패턴이 반복적으로 확인된다면, 행성과 별의 경계를 질량만이 아닌 형성 방식으로 재정의해야 한다는 논의가 본격화될 가능성이 높다.

장기적으로는 우리 은하에 분포한 수십억 개의 행성계 형성 역사를 재구성하는 데 기여할 수 있다. 행성 형성론의 정밀화는 결국 지구와 같은 생명 가능 환경이 얼마나 보편적으로 만들어질 수 있는지를 이해하는 기초가 된다는 점에서, 천문학계의 관심이 지속될 것으로 보인다.