'초기 지구' 닮은 행성 발견…용암 가득한데, 온도가

과학자들이 초기 지구와 유사한 환경을 지녔을 가능성이 있는 차가운 용암 행성을 관측했다. 우주과학 전문매체 스페이스닷컴은 29일(현지시간) 미국 시카고대학 연구진이 지구에서 154광년 떨어진 항성계에서 용암으로 덮인 암석형 초지구(Super-Earth) 'HD 3167 b'를 관측했다고 보도했다. HD 3167 b는 표면이 용암으로 덮여 있을 정도로 뜨거운 행성이지만, 지금까지 발견된 대기를 가진 용암 행성 가운데 온도가 가장 낮은 것으로 나타났다. 항성과 매우 가까운 궤도를 돌고 있어 공전 주기는 지구 시간으로 하루 정도다. 연구진은 암석형 행성이 항성에 가까울수록 강한 항성풍에 지속적으로 노출되고 항성에서 방출되는 고에너지 광자를 더 많이 받기 때문에 대기를 유지하기 어려울 것으로 예상했다. 하지만 HD 3167 b를 비롯한 일부 용암 행성에서 대기가 존재하는 정황이 확인되면서 기존 예상과 다른 결과가 나타나고 있다. 이번 연구의 공동 저자 에드윈 카이트 시카고대학 지구물리학과 부교수는 “놀라운 점은 암석형 행성이 항성에 가까울수록 항성풍에 끊임없이 노출되고 더 많은 고에너지 광자를 받기 때문에 대기를 갖기 어렵다는 것”이라며 “그런데도 이런 용암 행성 가운데 상당수가 대기를 가지고 있는 것으로 보인다”고 말했다. HD 3167 b, 조석 고정 상태이나 대기 있어 온도 상대적으로 낮아 30여 년 전 최초의 외계행성이 확인된 이후 과학자들은 6300개가 넘는 외계행성을 발견했다. 뜨거운 목성형 가스 행성부터 작은 해왕성형 행성까지 다양한 유형의 외계행성이 확인됐다. 이 가운데 표면이 녹아내릴 정도로 뜨거운 암석형 행성인 이른바 '용암 행성'도 발견됐다. 연구진은 제임스웹 우주망원경의 중적외선 관측 장비(MIRI)를 이용해 HD 3167 b를 관측했다. MIRI는 중적외선 영역에서 행성의 열복사를 관측해 표면 온도를 추정하고 대기 존재 여부를 확인하는 데 활용된다. HD 3167 b는 용암 행성에서 흔히 나타나는 조석 고정 상태에 있는 것으로 보인다. 조석 고정은 행성이 자전하는 데 걸리는 시간과 항성을 한 바퀴 공전하는 데 걸리는 시간이 같아 행성의 한쪽 면이 항상 항성을 향하고 반대쪽 면은 영원히 어두운 상태로 남는 현상이다. 하지만 HD 3167 b는 다른 용암 행성과 비교해 독특한 특징을 보인다. 카이트 교수 연구진의 대학원생이자 이번 연구의 공동 저자인 브랜든 파크 코이는 HD 3167 b에 대기가 없었다면 항성과 매우 가까운 거리 때문에 항성을 바라보는 낮 쪽 면의 온도가 “이론적으로 가능한 한 가장 뜨거웠을 것”이라고 설명했다. 그러나 실제 관측 결과 이 행성의 온도는 대기가 없을 경우 예상되는 최대 온도보다 훨씬 낮은 것으로 나타났다. 연구진은 HD 3167 b의 대기가 항성에서 들어오는 에너지를 행성의 밤 쪽으로 전달해 낮 쪽의 온도를 낮추는 역할을 하는 것으로 추정했다. 즉, 표면이 용암으로 덮일 정도로 뜨겁지만 대기를 보유하고 있어 상대적으로 낮은 온도가 나타난다는 설명이다. HD 3167 b의 낮은 온도는 연구진이 대기의 존재 가능성을 확인하는 데 중요한 단서가 됐다. 다만 과학자들은 이전에도 초고온의 용암 행성에서 대기가 존재할 가능성을 확인한 바 있다. 이는 용암 행성이 어떤 방식으로, 또 어느 정도의 온도에서 대기를 형성하고 유지하는지에 대한 새로운 의문을 제기한다. “용암 행성 상당 수, 대기 존재 가능성” 이번 연구는 이러한 의문에 답하기 위한 보다 광범위한 연구 프로그램의 일환이다. 메릴랜드대 천문학자 메건 와이너 맨스필드가 이끄는 연구팀은 10개의 서로 다른 용암 행성을 조사해 이들 행성이 대기를 형성하거나 유지하는 경향이 나타나는 온도 범위를 파악하고 있다. 연구진은 이번 관측 결과가 용암 행성 가운데 상당수가 대기를 가지고 있을 가능성을 뒷받침한다고 설명했다. 이러한 용암 행성은 생명체가 살기에는 지나치게 뜨거운 환경이지만, 이들을 연구하면 다른 암석형 행성의 형성과 진화 과정에 대한 단서를 얻을 수 있다. “초기 지구, 용암 행성과 매우 비슷했을 것” 파크 코이 연구원은 “생명체가 살기에 얼마나 부적합한 환경인지와 관계없이 우리가 이러한 행성들을 연구하는 이유는 초기 지구의 모습이 용암 행성과 매우 비슷했을 것으로 생각하기 때문”이라고 설명했다. 이어 “태양계 역사의 아주 초기, 지구와 같은 암석형 행성이 형성될 당시에는 수많은 미행성 충돌로 발생한 에너지 때문에 행성 표면이 극도로 뜨거웠을 것”이라며 “지구 역시 표면 전체가 액체 상태의 마그마로 덮인 '마그마 바다' 단계를 거쳤다”고 말했다. 그는 “이번 연구 결과는 지구가 형성된 첫 수백만 년 동안의 환경이 어땠는지를 연구하는 데 중요한 단서를 제공한다”고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 최근 국제학술지 '천체물리학 저널 레터스'에 게재됐다.