쌍둥이 품은 ‘엄마 별’ 포착…이중 고리 속 행성 형성중

행성이 형성 중인 것으로 보이는 아름답고 화려한 이중 고리를 두른 젊은 ‘엄마 별’이 세계 최대 알마(ALMA) 전파망원경에 포착됐다.

지구로부터 이리자리(Lupus) 방향으로 약 456~619광년 거리에 있는 ‘이리자리 IM’(IM Lup)이라는 이름을 가진 이 별은 나이가 50만~175만 년으로, 약 45억 년 된 우리 태양과 비교해 보면 아직 어린 수준이다.

천문학자들은 알마 망원경을 사용해 이 젊은 별 주위에서 행성 형성 원반인 고리를 2개나 관측해냈다.

이들은 지름이 90AU인 내부 고리를 볼 수 있을 것으로 예상했지만 지름이 300AU인 외부 고리가 관측 가능하다고는 예상하지 못했다.

연구진은 분석 연구를 통해 이중 고리가 우주에서 가장 흔한 중이온(중원소의 양이온, 전자기를 띠는 분자) 중 하나인 ‘중수소로 치환된 포르밀 양이온’ DCO+(중수소-탄소-산소)로 이뤄져 있다는 것을 확인했다. 우주에는 ‘포르밀 양이온’ HCO+(수소-탄소-산소)라는 중이온이 더 많이 분포하고 있는데 DCO+는 HCO+의 수소 원자가 ‘수소-중수소 교환’ 반응을 통해 중수소로 바뀐 것.

연구를 이끈 미국 하버드 스미스소니언 천체물리학센터의 카린 외베리 박사는 “알마 망원경을 통해 행성이 형성 중인 원반에 일어나는 화학적 성질을 관찰할 수 있게 됐다”면서 “이번 발견은 원시 행성계 원반의 외부 본질을 이해하는 새로운 단서가 된다”고 말했다.

연구진은 이 별에서 DCO+로 이뤄진 내부 고리의 존재는 DCO+ 형성에 필수적인 ‘낮은 온도’와 ‘풍부한 일산화탄소(CO) 가스’의 적절한 조합으로부터 형성됐다고 추정하고 있다.

이 별에 더 가까운 조건은 또한 DCO+가 생기기에는 너무 따뜻하다. 하지만 좀 더 먼 곳에서는 쌓여있는 일산화탄소(CO)가 모두 얼어붙어 지름이 미크론으로 측정되는 고체 입자인 미립자(dust grains)와 원시행성으로 합쳐질 가능성이 있는 여러 미행성(planetesimals) 위에 얼음층을 형성한다.

또 연구진은 외부 고리의 존재로부터 다음과 같은 가정도 도출하고 있다.

중심 별로부터 멀어질수록 주위 환경은 차갑고 어두워지지만, 외부 고리일지라도 원반 밀도가 매우 낮은 부분은 중심 별의 빛이 외부 고리 안까지 파고들어 가는 것으로 연구진은 가정하고 있다. 이런 빛을 통해 얼어있던 일산화탄소가 승화하고 내부 순환을 통해 DCO+의 생성이 다시 일어나고 있다는 것이다.

이에 대해 연구진은 중수소로 이뤄진 무거운 분자가 지금까지 예상하지 못했던 장소에서 만들어질 가능성이 있다고 설명하고 있다.

이번 연구를 통해 이런 무거운 분자가 우리 태양계와 다른 행성계가 어떻게 만들어지는지 그 역사를 탐구하는 유력한 수단이 될 것이라고 연구진은 말하고 있다.

외베리 박사는 “무거운 분자는 어디서 어떻게 다양한 분자로 형성됐는지를 우리에게 가르쳐주는 이른바 별들 사이의 메신저”라고 말했다.

또한 “예를 들어 지구의 바다는 중수소와 산소로 이뤄진 물인 ‘중수’가 많이 포함돼 있어 지구의 물 대부분이 태양이 지금처럼 빛나기 전인 원시 태양계 성운일 때부터 존재했음을 보여준다”면서 “즉 해수는 태양보다 오랜 역사를 가지고 있다는 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구성과는 국제학술지인 ‘천체물리학회지’(The Astrophysical Journal) 최신호(9월 4일자)에 발표됐다.

사진=카린 외베리(CfA), 알마 (NRAO/ESO/NAOJ); 빌 색스턴 (NRAO/AUI/NSF)

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr