초고해상도 복원 ‘행성 형성 1막’···별 태어난 직후, 행성도 자란다

별이 생기고, 시간이 꽤 흐른 뒤에야 행성이 생긴다고 생각해왔다. 하지만 실제 우주는 그보다 훨씬 빠르게 움직인다. 일본 연구진은 새로운 영상 복원 기술을 이용해, 별이 탄생한 지 수십만 년밖에 되지 않은 원반 속에서 이미 고리와 나선 구조가 형성됐다는 사실을 포착했다. 이는 행성 형성이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 이른 시점에 시작될 수 있다는 뜻이다. 별과 행성은 ‘함께’ 자란다는 새로운 시나리오가 주목받고 있다.

행성의 흔적은 원반의 구조로 남는다

별은 차가운 분자 가스와 먼지가 중력으로 뭉치며 탄생한다. 이때 형성되는 원반, 즉 ‘원시행성계 원반(protoplanetary disk)’은 가스와 먼지로 이루어져 있고, 이 안에서 행성이 만들어진다. 만약 원반 안에서 행성이 생겨나고 있다면, 그 중력은 주변 물질을 끌어당기거나 밀어내면서 고리(ring), 간극(gap), 나선형 구조 같은 특징적인 흔적을 남긴다. 과학자들은 이런 구조를 ‘행성이 존재한다는 신호’로 해석해왔다.

지금까지는 ALMA 전파망원경의 대형 프로젝트인 DSHARP(별의 나이 약 100만 년 이상)와 eDisk(별 탄생 초기 10만 년 이하)를 통해 이 구조들을 관측해왔다. DSHARP에서는 상당수 원반에서 구조가 발견된 반면, eDisk에서는 뚜렷한 구조가 드물었다. 이런 결과는 그동안 “행성 형성은 별이 안정된 뒤 수십만 년 이상이 지나야 시작된다”는 통념을 강화했다.

해상도 3배 높이자, 새로운 구조 드러나

일본 국립천문대 연구팀은 이 고정관념에 도전했다. 기존 ALMA 데이터에 ‘희소 모델링(sparse modeling)’ 기반의 영상 복원 기술을 적용해 해상도를 세 배 이상 끌어올린 것이다. 이를 위해 개발된 공개 소프트웨어 ‘PRIISM’을 활용했고, 뱀주인자리 성운 내 78개의 원시행성계 원반을 분석했다. 같은 관측 자료를 사용하면서도 훨씬 정밀한 이미지를 얻은 것이다.

그 결과, 총 27개의 원반에서 고리 또는 나선형 구조가 관측됐고, 이 중 15개는 이번에 처음 확인된 사례였다. 이는 DSHARP와 eDisk 프로젝트를 합한 것보다 많은 숫자이며, 원시행성계 원반의 구조 통계 분석에 새로운 전환점을 제공한다.

별과 행성, 함께 태어난다

연구진은 관측 대상의 원반 반지름과 별의 진화 정도를 비교해, 반지름이 30천문단위(AU)를 넘는 원반에서는 행성 형성의 흔적이 더 자주 나타난다는 경향을 발견했다. 특히 볼로메트릭 온도(bolometric temperature) 분석에 따르면, 별이 태어난 지 수십만 년밖에 지나지 않은 시점에서도 이런 구조가 형성되기 시작했다.

이는 행성과 별이 거의 동시에 성장하는 ‘공동 성장 모델(co-formation model)’을 지지하는 강력한 근거다. 원반 속 가스와 먼지가 아직 풍부한 상태에서 행성 형성이 시작된다는 이 가설은, 향후 외계 행성계의 기원과 다양성을 이해하는 데 중요한 정보를 제공한다.

연구 책임자 쇼시 아유무(Ayumu Shoshi)는 “이번 연구는 지금까지 관측 공백으로 남아있던 별의 진화 초기 단계에 대한 이해를 확장했다”며 “다른 별 탄생 지역에서도 이 같은 경향이 반복된다면, 행성 형성 이론 자체가 재정립될 수 있다”고 밝혔다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr