태양계의 시작처럼…젊은 별 HOPS-315서 암석 행성 씨앗 첫 관측

암석 행성 형성의 출발점이 되는 고온 물질의 응축 장면이 사상 처음으로 관측됐다. 국제 공동 연구팀은 생후 약 10만~20만 년의 원시별 HOPS-315 주변에서, 결정질 규산염과 실리콘 모노옥사이드(SiO)가 가스 원반 내 고온 환경에서 응축되는 순간을 직접 포착했다. 이는 45억 년 전 태양계 형성과정의 물질 진화 초기 단계와 동일한 조건으로, 태양계가 어떤 물리적 환경에서 시작됐는지를 실증적으로 보여주는 첫 사례다.

행성 형성 이론, 실시간 검증에 도달

행성계는 원시별 주위를 도는 원시 행성계 원반(protoplanetary disk)에서 먼지 입자가 충돌·응축을 반복하며 형성된다. 하지만 이론상 중요한 ‘응축 온도 조건에서의 고체 형성’이 실제로 언제, 어디서 발생하는지는 확인된 바 없었다. 이번에 포착된 규산염 광물은 약 1,000~1,500K 이상의 고온 환경에서만 응축되는 물질로, 이 영역은 행성 형성 이론에서 이른바 ‘암석 응축선(rock line)’으로 간주된다. 이 응축선 내부에서 최초의 고체 입자가 생성되며, 이는 지구와 같은 암석 행성의 기원이 된다.

연구에 사용된 관측 도구는 NASA의 제임스 웹 우주망원경(JWST)과 칠레의 ALMA 전파간섭계. 특히 HOPS-315의 원반이 지구 방향으로 기울어져 있어, 보통 가스로 가려져 볼 수 없는 내부 고온 영역을 정면으로 관측할 수 있었다. 이는 별 주위를 도는 원반의 간극(gap)을 통해 시야가 열린 극히 드문 사례다.

태양계의 물질 진화, 다른 별에서도 반복

이번에 검출된 SiO 가스는 고체 광물이 증발하거나 응축하는 온도 경계에서만 존재할 수 있는 불안정한 구성 성분이다. 이와 함께 검출된 결정질 규산염은 혜성이나 운석에서 흔히 발견되는 조성으로, 태양계 초기의 광물과 조성적으로 일치한다. 이는 태양계에서만 고유하게 발생한 화학적 진화가 아니라, 젊은 태양 유사별에서도 동일하게 일어나고 있음을 의미한다.

그동안 천문학계는 원반의 먼지 밀도, 온도 분포, 간극 구조 등을 통해 간접적으로 행성 형성 단계를 추정해 왔다. 하지만 광물이 실제로 응축되고 있는 ‘고체화 시점’을 직접 확인한 적은 없었다. 이 관측은 행성계 진화를 단순한 모델이나 시뮬레이션 수준에서 실측 기반의 물리학으로 끌어올린 중요한 전환점으로 평가된다.

또 하나의 태양계가 자라나는 중

HOPS-315를 감싸고 있는 가스 원반은 질량과 구조 면에서 태양계가 형성될 당시의 원시 원반과 매우 유사한 것으로 분석된다. 이론적으로 이 원반은 수백만 년에 걸쳐 암석형 및 가스형 행성을 포함한 다행성계로 진화할 수 있으며, 최종적으로 태양계와 비슷한 구조를 가질 가능성도 제기된다.

퍼듀대학교의 공동 저자 메렐 판트호프는 “이처럼 초기 조건이 명확히 드러난 별들을 더 많이 확보할수록, 지구형 행성이 어떤 환경에서 탄생하는지를 더 정확히 파악할 수 있다”며, “태양계가 우주에서 보편적인 진화 사례인지 판단하는 데 이번 연구는 출발점이 될 것”이라고 설명했다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: Melissa McClure, Refractory solid condensation detected in an embedded protoplanetary disk, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09163-z

자료: Nature