국제연구팀 "갈색왜성 도는 목성급 천체 확인…'별-갈색왜성-위성' 첫 사례 추정"

태양계 밖에서 처음으로 외계위성(exosatellite) 후보 천체가 발견됐다.

이 천체는 별을 돌고 있는 갈색왜성(brown dwarf)을 공전하고 있어 '별-행성-달'이라는 기존 분류 체계에 잘 들어맞지 않으며 '별-갈색왜성-위성' 시스템으로는 처음으로 포착된 것으로 보인다.

칠레 디에고 포르탈레스대와 유럽남방천문대(ESO) 케빈 호이 박사가 이끄는 국제 연구팀은 23일 과학 저널 네이처(Nature)에서 유럽남방천문대(ESO) 초거대망원경(VLT)으로 지구에서 87광년 떨어져 있는 갈색왜성 'CD-35 2722 B'를 관측, 이를 공전하는 목성급 천체가 있다는 강력한 증거를 발견했다고 밝혔다.

연구팀은 지금까지 6천개가 넘는 외계행성이 발견됐지만 외계위성은 후보만 있었을 뿐 확인된 사례는 없었다며 이 천체의 존재가 확정되면 최초의 외계위성 검출 사례가 될 가능성이 있다고 말했다.

CD-35 2722계는 남쪽 하늘 펌프자리(Antlia)에 있는 나이 1천만년의 젊은 항성계로, 중심에는 태양 질량의 40% 크기 적색왜성이 있고, 갈색왜성 CD-35 2722 B가 지구-태양 거리보다 67배 먼 궤도에서 이 별을 약 5천년 주기로 공전하고 있다.

갈색왜성은 질량이 행성과 별의 중간 범위인 천체로, 행성보다 무겁지만 수소 핵융합을 지속할 만큼 충분한 질량을 갖지 못해 전형적인 별로는 분류되지 않는다.

연구팀은 이 연구에서 2023년 10월~2026년 2월 VLT의 고분산 적외선 분광기(CRIRES+)로 이 갈색왜성을 23차례 정밀 관측하고, 외계행성 탐색 시 사용되는 시선속도(radial velocity) 기법을 적용해 갈색왜성의 미세한 흔들림을 분석했다.

시선속도 기법은 공전하는 천체의 중력이 중심 천체를 미세하게 흔들면, 중심 천체의 빛 스펙트럼이 도플러 효과로 미세하게 이동하는 현상을 측정하는 방법이다. 이번 연구에서는 이 기법을 별이 아니라 갈색왜성에 적용했다.

각 관측에서 얻은 적외선 스펙트럼의 도플러 이동을 비교한 결과, 갈색왜성이 약 171일 주기로 규칙적으로 앞뒤로 흔들리는 신호가 포착됐다.

연구팀은 다양한 궤도 모형을 통해 검증한 결과 171일 주기의 신호 흔들림은 질량이 최소 목성의 0.9배(지구 질량의 약 286배)인 외계위성 1개가 갈색왜성을 공전할 때 가장 잘 설명되는 것으로 분석됐다고 밝혔다.

또 위성이 하나 또는 두 개인 모형을 검토한 결과, 위성이 두 개일 경우 대부분 수백 년 안에 한 위성이 밖으로 튕겨 나갈 정도로 불안정한 반면 위성이 한 개인 모형은 장기간 안정적으로 유지될 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 다만 이번 발견이 외계위성 존재를 시사하는 강력한 증거이지만, 추가 관측을 통한 확인이 필요하며, 이 천체를 외계달(exomoon)로 분류할 수 있는지도 아직 명확하지 않다고 설명했다.

CD-35 2722 시스템이 별-갈색왜성-외계위성으로 이루어져 있고 발견된 천체가 질량으로는 행성에 해당하지만, 행성을 도는 게 아니라 갈색왜성을 공전하기 때문에 태양-행성-달이라는 태양계 분류체계를 그대로 적용하기 어렵다는 것이다.

연구팀은 앞으로 건설될 ESO 차세대 초거대망원경(ELT)이 더 작은 외계위성까지 검출할 수 있게 되면 이와 비슷한 계가 잇따라 발견될 가능성이 있다며 이에 따라 외계위성에 대한 명확한 분류 체계도 마련해야 할 것이라고 전망했다.

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.