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한국 천문학자들이 주도한 국제공동연구팀이 별(항성)의 탄생 과정을 정밀 관측해 행성계가 형성되는 원리를 규명했다.20여 년간 쌓은 이론적 예측을 기반으로 천문학계 난제를 해결해 결실을 맺은 사례로 평가된다.

과학기술정보통신부는 이정은 서울대 물리천문학부 교수팀이 한국천문연구원,미국·캐나다·유럽·중국·일본 천문학자들과 공동연구를 통해 행성계 주요 성분인 결정질 규산염의 생성과 이동 원리를 실제 관측으로 규명하는 데 처음 성공했다고 22일 밝혔다.연구결과는 21일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개됐다.

태양 같은 별은 우주에 있는 분자 구름이 수축해 뭉치면서 생성된다.분자 구름은 기체 99%와 먼지 1%로 이뤄졌다.핵융합 반응으로 자체 에너지를 만드는 독립적인 별이 되기 전 단계를 '태아별(원시성)'이라고 한다.

태아별은 주변 물질을 끌어들이며 핵융합 반응이 일어날 정도로 몸집을 불린다.이때 태아별 주변으로 분자 구름이 원반 모양으로 배열되며 '원시행성계원반'이 형성된다.원시행성계원반에 있는 물질이 뭉치면 행성과 소행성,카지노 룰렛 기계혜성들이 만들어진다.이 교수는 "대부분의 별은 원반을 형성하기 때문에 태양계처럼 행성계가 존재하는 것이 일반적"이라고 설명했다.

보통 태아별과 가까운 곳에서는 잘 뭉치지 않는 메마른 먼지가 많아 수성이나 지구처럼 작은 행성이 형성되기 쉽고 원반 바깥쪽에서는 먼지에 얼음 입자가 달라붙어 뭉치며 목성과 같은 큰 가스 행성이 만들어진다.

원반 안쪽에서는 고온으로 먼지 입자가 파괴되고 남은 기체가 자기장선을 따라 태아별로 유입된다.태아별은 물질을 일정하게 흡수하지 않고 폭식(폭발기)과 단식(휴지기)을 반복하는 '간헐적 강착'을 일으킨다.물질을 한번에 많이 흡수하는 폭발기에는 태아별 표면에서 큰 충격파가 발생하면서 밝기가 증가하고 주변을 가열한다.반대로 휴지기에는 상대적으로 어둡고 차가워진다.태아별의 '식사 습관'에 따라 행성이 만들어지는 환경이 달라진다는 뜻이다.

지구형 행성과 혜성의 핵심 성분은 결정질 규산염이다.규산염이 결정화되려면 약 600℃ 이상의 고온 조건이 필요하지만 분자 구름의 온도는 영하 260℃ 정도로 결정화가 일어나기엔 턱없이 부족하다.행성계를 이루는 결정질 규산염의 기원을 설명하는 것이 난제인 이유다.

연구팀은 뱀자리 방향에 있는 태아별 'EC 53'에 주목했다.약 1.5년을 주기로 밝기가 변한다는 사실이 기존 관측으로 확인된 태아별이다.미국 항공우주국(NASA)의 제임스웹 우주망원경(JWST)을 활용해 EC 53이 어두울 때인 2023년 10월과 밝을 때인 2024년 5월에 각각 태아별 주변 빛의 스펙트럼 분석을 바탕으로 물질 분포를 파악했다.

분석 결과 폭발기에서 결정질 규산염의 존재가 처음으로 직접 확인됐다.규산염의 미약한 빛을 포착할 수 있었던 이유는 인류 최고 성능을 자랑하는 JWST 덕분이다.

하지만 태아별이 아무리 물질을 왕성하게 흡수해도 혜성이 있는 행성계 외곽까지 가열할 수는 없다.고작 태양부터 지구 사이 정도 범위에서만 형성되는 결정질 규산염이 어떻게 멀리 떨어진 해왕성 궤도 밖까지 전달되는지 설명이 필요하다는 뜻이다.

연구팀은 '원반풍(disk wind)' 개념으로 규산염의 이동을 설명했다.원반풍은 태아별 주변 원반에 수직 방향으로 뻗어나가는 물질 흐름인 방출류를 형성한다.덕분에 원반 안쪽의 결정질 규산염이 방출류를 타고 외곽까지 이동할 수 있다는 것이다.실제로 EC 53에서는 원반풍 존재를 뒷받침하는 다양한 속도의 방출류가 관측됐다.

이 교수는 "태양계와 외계 행성계가 만들어지는 메커니즘을 설명할 중요 지표를 마련했다"며 "장기간에 걸쳐 축적된 경험이 과학적 발견으로 이어진 사례"라고 밝혔다.

이 교수팀은 지난해 3월 발사돼 넓은 범위를 탐색하는 우주망원경 스피어엑스(SPHEREx)로 태아별을 추가로 발견하고 관측해 별 탄생과 행성계 진화 과정을 더욱 명확히 밝혀낼 계획이다.스피어엑스는 다양한 천체의 밝기 변화를 6개월마다 비교·분석할 수 있다.주목할 만한 천체가 발견되면 JWST로 자세히 관측하는 식이다.

한편 JWST는 전세계 천문학자들이 잠깐이라도 사용하기 위해 줄을 서는 인기 장비다.관측 제안서를 제출하면 이 교수팀이 참여한 운용기간을 기준으로 10대 1 정도의 경쟁률을 뚫어야 한다.

이 교수는 EC 53 관측을 위해 JWST 사용 시간을 두 번이나 확보했다.그는 "모델을 통해 EC 53 관측에서 예상되는 온도 등 과거 데이터로부터 쌓은 태아별에 대한 정보와 모델이 있었기 때문에 관측 시간을 배정받은 것"이라고 설명했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-025-09939-3

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