“우리 은하계에 ‘헬륨 행성’ 매우 흔해” – NASA 연구

가끔 방송 등에서 웃기려고 풍선 속 가스를 들이마시고 목소리를 우스꽝스럽게 변조하는 장면이 나온다. 이때 마신 가스가 헬륨이다. 이 재미있는 가스인 '헬륨' 대기를 가진 행성들이 우리가 있는 은하계에 즐비하다는 연구결과가 발표되었다.

지난 수십 년간 과학자들은 수천 개의 외계 행성들을 찾아냈다. 이렇게 많은 외계 행성을 발견하게 되자 자연스럽게 그다음 관심은 외계 행성의 존재를 넘어 과연 이 행성들이 어떤 특징을 가졌는지에 쏠리고 있다. 지구 같은 행성은 우리 은하계에 얼마나 흔한지, 그리고 외계 행성들은 어떤 독특한 특징을 가졌는지가 궁금해진 것이다.

최근 미항공우주국(NASA)의 제트 추진 연구소(JPL)의 과학자들은 학술지 천체 물리학 저널(Astrophysical Journal)에 발표한 논문에서 우리 은하계에는 헬륨이 풍부한 해왕성 크기나 그보다 작은 외계 행성이 매우 흔한 것 같다는 연구 결과를 발표했다. 연구팀은 외계 행성 탐사에서 혁혁한 성과를 거둔 케플러 우주 망원경과 NASA의 스피처 적외선 우주 망원경 관측 데이터를 바탕으로 이와 같은 주장을 내놨다.

NASA의 케플러 우주 망원경은 태양 근처에 별에서 해왕성이나 해왕성보다 약간 작은 외계 행성 수백 개를 발견했다. 이들 외계 행성들은 우리 태양계의 해왕성과는 달리 자신의 모항성에서 매우 가까운 궤도를 공전하고 있다. 따라서 이들은 따뜻한 해왕성(warm Neptunes)이라고 분류된다.

NASA 제트 추진 연구소의 레뉴 후(Renyu Hu, NASA Hubble Fellow at the agency's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California)와 그의 동료들은 이와 같은 관측 사실과 스피처 적외선 우주 망원경에서 관측한 데이터를 바탕으로 이 행성들이 어떤 대기 구조를 가졌는지 연구했다.

이들은 따뜻한 해왕성이 헬륨 위주의 대기를 가지고 있다는 가설을 세웠다. 이런 형태의 대기를 가진 행성들은 태양계에는 없다. 연구팀은 따뜻한 해왕성의 생성 위치와 환경이 이와 같은 독특한 대기를 만들었다고 보고 있다.

우주에는 수소와 헬륨이 아주 풍부하다. 우리 태양계의 거대 가스 행성들은 대부분 내부에 암석의 핵을 가지고 있고 외부에는 수소와 헬륨으로 된 거대한 가스층을 가지고 있다. 밀도의 차이를 생각하면 내부에는 철이나 암석 같은 무거운 물질이 있고 밖으로 갈수록 수소나 헬륨 같은 가벼운 기체로 구성된 것이 일반적인 가스 행성의 구조일 것이다.



그런데 따뜻한 해왕성들은 모항성에 너무 가까이 있다. 대부분 그 공전궤도가 수성보다도 가깝다. 따라서 그 표면 온도는 매우 뜨겁다. 오랜 시간이 지나면서 뜨겁게 가열된 수소는 점차 행성의 표면에서 달아나게 된다. 이와 같은 일이 10억 년 정도 계속되면 따뜻한 해왕성에 있는 수소 가스는 대부분 사라지게 된다. 그러면 상대적으로 무거운 헬륨만이 남아 헬륨 행성이 되는 것이다.

이 이론을 검증하기 위해 연구팀은 스피처 우주 망원경 관측을 통해 따뜻한 해왕성 가운데 하나인 GJ 436b를 연구했다. 이 행성에는 태양계의 거대 가스 행성에서 볼 수 있는 메탄 구름의 존재가 없는 것으로 나타났다. 수소와 탄소가 결합한 메탄은 수소가 풍부한 태양계의 가스 행성에서는 쉽게 관측할 수 있는 분자다. 그러나 GJ 436b에서는 탄소의 존재는 발견할 수 있었으나 메탄의 존재는 발견되지 않았다. 이는 수소가 사실 거의 없다는 가설을 지지하는 증거다.

여기에 이 행성에서는 탄소가 산소 원자와 결합한 일산화탄소가 풍부하게 발견되었다. 이는 수소가 고갈된 상황에서 탄소가 다른 원자와 결합했다고 설명하면 쉽게 이해될 수 있다. 연구팀은 다른 따뜻한 해왕성에서도 비슷한 관측 결과가 나오는지 연구하고 있다.

더 많은 연구가 필요하겠지만, 우주에는 우리 태양계와는 전혀 다른 독특한 행성들이 다수 존재할 것이다. 이를 직접 탐사하는 것은 먼 미래의 일이 되겠지만, 과학자들은 지구에서 망원경을 통해 이들을 계속 탐사할 것이다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com