태양계 밖 첫 외계위성 후보 포착
'별-갈색왜성-위성' 이색 천체계 최초 확인

달과 비슷한 천체가 있는 CD-35 2722 계 상상도

태양계 바깥에서 처음으로 외계위성(exosatellite)으로 추정되는 천체가 포착됐습니다.

이번에 관측된 천체는 일반적인 별이 아닌 갈색왜성(brown dwarf)을 공전하고 있습니다. 이에 따라 기존의 '별-행성-달' 구조로 명확히 나뉘던 분류체계에 들어맞지 않는 '별-갈색왜성-위성'이라는 새로운 형태의 계가 처음으로 확인된 것으로 보입니다.

칠레 디에고 포르탈레스대학교와 유럽남방천문대(ESO)의 케빈 호이 박사가 이끄는 국제 연구진은 23일 과학 학술지 '네이처(Nature)'를 통해 유럽남방천문대의 초거대망원경(VLT)을 활용해 지구에서 약 87광년 떨어진 갈색왜성 'CD-35 2722 B' 주변을 돌고 있는 목성급 천체의 강력한 존재 흔적을 찾았다고 발표했습니다.

◆ 87광년 밖 젊은 천체계와 갈색왜성

연구팀은 지금까지 6천 개가 넘는 외계행성이 포착되었으나 외계위성의 경우 후보만 거론되었을 뿐 검증된 사례는 없었다고 설명했습니다. 이어 이번 천체의 존재가 최종 확인된다면 최초의 외계위성 발견 사례가 될 수 있다고 평가했습니다.

CD-35 2722 계는 남쪽 하늘 펌프자리에 위치한 형성된 지 1천만 년가량 된 젊은 천체계입니다. 이 계의 중심에는 태양 질량의 40% 수준인 적색왜성이 자리하며, 지구와 태양 사이 거리보다 67배 먼 궤도에서 갈색왜성 'CD-35 2722 B'가 약 5천 년의 주기로 이 별의 주변을 돌고 있습니다.

여기서 갈색왜성이란 질량이 행성과 별의 중간 영역에 위치한 천체입니다. 행성보다는 무게가 나가지만 수소 핵융합을 지속할 만큼 질량이 충분하지 않아 전형적인 항성으로 분류되지는 않습니다.

기존 우주 법칙을 깨뜨린 외계위성 후보가 처음으로 발견됐다

◆ 시선속도 기법으로 확인한 171일 주기 신호

연구팀은 2023년 10월부터 2026년 2월까지 VLT에 탑재된 고분산 적외선 분광기(CRIRES+)를 이용해 해당 갈색왜성을 총 23차례에 걸쳐 정밀 관측했습니다. 그리고 외계행성을 찾을 때 사용하는 시선속도(radial velocity) 측정 기법을 활용해 갈색왜성의 미세한 흔들림을 추적했습니다.

시선속도 기법은 공전하는 천체의 중력으로 인해 중심 천체가 미세하게 움직일 때, 빛 스펙트럼이 도플러 효과에 의해 미세하게 이동하는 현상을 파악하는 방식입니다. 연구팀은 이 방식을 별이 아닌 갈색왜성에 적용했습니다.

관측을 통해 얻은 적외선 스펙트럼의 도플러 이동을 분석한 결과, 갈색왜성이 약 171일을 주기로 규칙적인 앞뒤 흔들림을 보인다는 사실이 파악되었습니다.

◆ 목성 크기 위성 1개의 안정적 공전 궤도

연구진이 여러 궤도 모델을 바탕으로 검증을 진행한 결과, 이 171일 주기의 흔들림은 최소 목성 질량의 0.9배(지구 질량의 약 286배)에 달하는 외계위성 1개가 갈색왜성을 공전할 때 가장 일치하는 것으로 확인됐습니다.

아울러 위성이 1개인 경우와 2개인 경우의 모델을 함께 검토한 결과, 2개일 때는 대부분 수백 년 이내에 한 위성이 궤도 밖으로 튕겨 나갈 만큼 불안정한 반면, 1개일 때는 긴 시간 동안 안정적인 상태를 유지하는 것으로 나타났습니다.

◆ 새로운 분류 체계 마련의 필요성

다만 연구진은 이번 결과가 외계위성의 존재를 뒷받침하는 강력한 증거이기는 하지만 추가적인 관측을 통한 검증이 더 필요하며, 이 천체를 외계달(exomoon)로 공식 분류할 수 있을지 역시 아직 확실하지 않다고 덧붙였습니다.

CD-35 2722 계가 '별-갈색왜성-외계위성'으로 구성되어 있고, 이번에 발견된 천체 자체는 질량상 행성에 해당하지만 일반 행성이 아닌 갈색왜성을 돌고 있어 기존 태양계의 '태양-행성-달' 개념을 그대로 대입하기는 어렵다는 이유에서입니다.

연구팀은 향후 가동될 ESO의 차세대 초거대망원경(ELT)을 통해 더 작은 크기의 외계위성까지 탐지하게 되면 유사한 시스템이 추가로 발견될 수 있다며, 이에 따른 외계위성의 명확한 정의와 분류 규정 마련이 필요해질 것이라고 내다봤습니다.

호이 박사는 "CD-35 2722 시스템은 행성이나 달 같은 태양계 용어로 정의하기가 어렵다"며 "하지만 발견된 천체는 이 계의 세 번째 구성원이기 때문에 태양계의 달과는 전혀 다르지만 달이라고 부르고 싶다"고 말했다.

(사진=ESO/M. Kornmesser/연합뉴스/'네이처' 캡쳐)