한국항공우주연구원

  우리가 살고 있는 태양계가 어떻게 형성 되었는가는 과학자뿐만 아니라 많은 사람들이 궁금해하는 것이다. 그러나, 이미 태양계의 나이는 적어도 45억년이므로 과거로 돌아가서 태양계 형성의 순간을 관찰할 수는 없다. 다행이도 우주에는 수많은 별이 있고 또한 별 주위에는 많은 수의 행성이 존재하고 있으므로 운이 좋다면 이제 막 생성되고 있는 행성을 관측할 수 있다. 이러한 후보들은 그동안 많이 알려졌다. 특히 적외선에 특화된 케플러우주망원경을 이용한 관측결과는 우주, 좀 더 규모를 작게 해서 우리은하내 태양 근처 공간에도 정말로 많은 수의 행성이 있다는 것이다. 케플러우주망원경을 이용한 행성 탐사의 내용은 필자의 4월 11일자 글, ⎡케플러우주망원경이 찾아낸 고대행성계, Kepler-444⎦를 참고하기 바란다.
  케플러우주망원경을 이용하여 찾은 대부분의 행성은 이미 형성된 것들이다. 행성 생성의 순간 관측은 여전히 난제로 남아있었으나 2014년 칠레의 사막에 설치된 ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) 전파간섭계를 이용하여 원시별 HL Tau 주변의 관측을 통해서 행성 생성 순간이 확인되었다 (그림 1 참조). 이 발견을 가능하게 된 주요한 원인은 1) 허블우주망원경보다 뛰어난 ALMA의 분해능, 2) 원시별 주변 먼지의 영향을 받지 않는 관측 주파수 (Sub-millimeter)의 크게 2가 지이다. 허블우주망원경 관측 자료(그림 1)에서 푸르게 보이는 지점 (대부분 먼지 및 가스로 뒤덮여 있어서 보통의 가시광선에서는 내부 구조를 확인할 수 없다)을 ALMA를 이용하여 관측한 결과 사각형에서 보이는 것처럼 중앙의 원시별 이외에 원반이 보이며 행성에 의한 중력 효과로 인해 원반 중간에 먼지 및 입자가 없는 구조(gap)를 갖게 된다. 위 관측 결과는 수치계산 결과와도 잘 일치해서 외부 행성계 생성에 관한 연구에서 매우 중요한 발견이라고 할 수 있다.
  원시별 주변에 있는 질량이 매우 큰 행성의 존재는 또 다른 방법으로 확인할 수 있다. 2013년 남아메리카 칠레에 위치한 유럽우주국 산하 유럽남천문대의 VLT(very Large Telescope)를 이용하여 관측된 원시별 MWC 758의 모습이 그림 2이다. 중심별의 밝기를 차폐하여 원시별 주변 원반이 잘 보이도록 하였다. 앞에서 ALMA로 관측된 HL Tau와 상당히 다른 모습으로서 원시별 주변 약 100AU (1AU는 지구-태양 간 거리로서 약 1억 5천만 킬로미터임) 정도의 크기를 갖는 나선팔이 있음을 확인할 수 있다. 어떻게 이러한 나선팔이 생성되었는 지가 매우 궁금하였는 데, 버클리 대학과 프린스턴 대학의 연구진에 의해 질량이 태양과 비슷한 원시별 주변의 약 100AU 거리에 목성 질량의 6배를 갖는 행성이 존재하는 경우 (이 행성은 관측 자료에서는 보이지 않는다)를 가정하고 수치계산 한 것이 그림 3이다. 이들의 계산 결과는 관측치와 너무나도 잘 일치하고 있다. 나선팔이 발생하는 것은 행성의 중력에 의한 소위 밀도파(Density Wave)에 의한 것이다. 밀도파에 관한 내용 역시 매우 복잡하여 본글에서 다루는 것은 적절하지 않다. 다만, 우리 은하 평면에도 나선팔이 존재하고 이들 역시 밀도파에 의해서 생성되었다고 생각되고 있다.
  이들의 계산 결과에 의하면 원시별 근처의 다수의 먼지등에 의해서 행성의 존재가 가려지나 나선팔 구조를 확인할 수 있다면 간접적으로 행성의 존재를 확인할 수 있는 것이다. 이 발견은 원시별의 주변을 연구하여 행성 생성의 초기 단계에서 그 동안 감추어졌던 많은 사실을 알아내는 데 있어서 중요한 업적이며 향 후 많은 수의 천체에 적용되어서 행성 생성 초기의 구체적인 모습을 확인하는 데 큰 도움을 줄 것으로 예상된다.

※ 이 글은 나사의 최신 뉴스 제공 웹페이지와 The Astrophysical Journal Letter에 기고된 전문적 내용의 기사에 기반하여 작성되었다.