제임스 웹, 젊은 M형 왜성 감싸는 거대한 먼지 원반 포착

제임스 웹 우주망원경이 지구에서 약 260광년 떨어진 젊은 M3형 왜성 ‘TWA 20’을 관측했다. 관측 영상 속에는 별을 중심으로 넓고 희미한 고리 구조가 나타났다.

별 주위를 둘러싼 이 먼지 원반은 약간 비스듬히 기울어져 있었고, 미세한 먼지와 얼음 입자들이 별빛을 산란시키며 옅은 광을 형성하고 있었다. 제임스 웹의 근적외선 카메라(NIRCam)는 이 미약한 빛을 정밀하게 포착해냈다. 그 결과 이전 망원경으로는 식별할 수 없었던, 젊은 별 주변의 섬세한 원반 구조가 처음으로 뚜렷이 드러났다.

별빛 가리고 드러난 65AU, 거대한 먼지 고리

이번 관측은 미국 캘리포니아대학교 샌타바버라 캠퍼스의 스카일러 팔랫닉(Skyler Palatnick) 연구팀이 주도했다. 연구진은 2024년 6월, 제임스 웹의 NIRCam을 이용해 별의 눈부신 빛을 가리는 코로나그래프(coronagraph) 관측을 수행했다. 별의 중심광을 차단한 덕분에 주변을 감싸고 있던 미세한 산란광 구조가 드러났고, 이를 통해 먼지와 얼음 입자들이 이룬 잔해 원반이 선명해졌다.

분석 결과, TWA 20을 둘러싼 원반은 반지름이 약 64.7AU(태양과 해왕성 거리의 두 배가 넘는 규모)에 이르며, 약 70도 기울어진 비스듬한 형태를 띠고 있었다. 밝기는 0.1 MJy/sr로 매우 희미했고, 원반의 위치각은 -132.9도로 측정됐다. 이는 원반이 특정 방향으로 기울어진 채, 별빛을 거의 반사하지 않는 차가운 먼지 입자들로 구성돼 있음을 보여준다. 연구팀은 ‘참조차영상법(RDI)’과 ‘모델기반 차영상법(MCRDI)’을 적용해 이미지를 정제했으며, 원반의 구조와 밝기 분포를 상세히 분석했다.

TWA 20은 지구에서 약 261광년 떨어져 있으며, 표면 온도는 약 3560K, 나이는 약 1천만 년으로 행성 형성이 막 끝난 단계의 젊은 별이다. 이번에 확인된 잔해 원반은 지금까지 직접 영상으로 관측된 M형 왜성 원반 중 여섯 번째 사례로, 그중에서도 적외선 초과복사(IR excess)가 나타나지 않은 보기 드문 유형이다. 제임스 웹의 높은 감도와 영상 처리 기술 덕분에, 기존 망원경으로는 포착되지 않던 이 미세한 산란광 구조가 처음으로 시각화됐다.

행성 없이도 살아남은 먼지의 세계

연구팀은 원반의 형성과 유지에 영향을 미칠 만한 동반 천체(companion object)의 존재를 함께 조사했다. 그러나 관측된 데이터에서는 목성 질량의 행성이 48AU 이상 떨어진 거리에서 존재할 가능성이 없다는 결론이 나왔다. 이는 TWA 20이 거대한 행성보다는 작은 천체들의 충돌과 잔해로 둘러싸여 있음을 보여준다.

팔랫닉 연구팀은 “TWA 20의 잔해 원반은 지금까지 발견된 M형 왜성 원반 중 세 번째로 크고, 중심별은 세 번째로 어두운 별에 속한다”며 “이처럼 밝지 않은 별에서도 거대한 잔해 원반이 존재할 수 있다는 사실은 항성계의 다양성과 행성계 형성 환경의 폭넓음을 보여준다”고 설명했다.

이번 연구는 제임스 웹 망원경이 어두운 별 주위의 잔해 원반을 정밀하게 관측할 수 있음을 확인함과 동시에, 행성 형성 이후에도 작은 천체들이 남아 끊임없이 충돌하며 먼지를 만들어내는 과정을 입증한 사례다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr

참조 논문: Skyler Palatnick et al, Discovery of a Debris Disk Around TWA 20, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2510.20216

자료: arXiv