지구 질량 23배 ‘거대 암석 행성’ 발견…기존 이론 흔들어 [우주로 간다]

암석형 행성의 형성 과정에 대한 과학계의 기존 이론에 도전하는 특이하고 밀도 높은 거대 외계행성이 발견됐다.

우주과학매체 스페이스닷컴은 19일(현지시간) 지구보다 지름은 약 2.5배 크지만, 질량은 23배에 달하는 외계행성 ‘GJ 523b’가 발견됐다고 보도했다. 이처럼 비정상적으로 질량이 크고 주로 암석으로 구성된 거대 행성은 학계에서 비공식적으로 ‘메가지구’라 불린다.

우리에게 익숙한 지구와 슈퍼지구 행성 ‘55 Cancri e’라는 특이한 행성을 대조적으로 보여주는 상상 이미지. 이 행성은 가벼운 물질로 이루어져 있을 것으로 추정되나, 이번에 발견된 메가 지구 ‘GJ 523b’는 암석형 행성이다. (출처=NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC))

미국 위스콘신 대학교 연구진에 따르면 GJ 523b는 거대한 크기에도 불구하고 대기가 상대적으로 적어 매우 높은 밀도를 보인다. 논문 주저자인 맥스웰 A. 크로프트 연구원은 "우리가 예상했던 것과는 전혀 다른 결과"라며 "밀도가 높은 행성 자체가 희귀한 것은 아니지만, 보통은 지구나 수성처럼 크기가 작은 암석 행성이다. 하지만 이 행성은 지구보다 2.5배나 크다"고 설명했다.

GJ 523b는 미국 항공우주국(NASA)의 외계행성 탐사 위성(TESS)에 처음 포착됐다. 연구진은 이후 미국 애리조나주 킷피크 국립천문대의 지상 망원경을 통해 추가 관측을 진행했다.

관측 데이터를 종합한 결과, GJ 523b의 질량은 지구의 약 23.5배, 반지름은 2.55배로 계산됐다. 이 행성은 중심 항성을 17.75일 주기로 공전하며, 행성계의 나이는 약 1억 7천만 년으로 비교적 젊은 편에 속한다.

크기와 질량, 그리고 ‘젊은 별’이라는 세 가지 특징의 조합은 기존 행성 형성 모델에 큰 난제를 던져준다. 일반적인 행성 형성 이론에 따르면, 행성은 암석과 금속으로 이루어진 핵에서 출발해 젊은 별 주변의 가스와 먼지 원반으로부터 수소와 헬륨을 끌어당기며 성장한다. 태양계의 목성이나 토성 같은 거대 가스 행성들 역시 핵의 질량이 지구의 약 20배에 도달하면서 주변 가스를 급속도로 끌어모아 두터운 가스 외피를 형성한 것으로 추정된다.

GJ 523b를 반지름과 밀도가 정밀하게 측정된 다른 외계행성들과 비교하여 나타낸 그림. 붉은색 화살표는 본 연구에서 제안하는 메가지구 영역을 표시한다. (제공= 위스콘신-매디슨 대학교)

GJ 523b 역시 이미 지구 질량의 23배를 넘어서며 가스 행성으로 진화할 기준치를 넘겼다. 그러나 가스가 풍부한 행성으로 자라는 대신, 비정상적으로 높은 밀도를 유지하며 대기가 적은 암석 중심의 행성으로 남았다. 그렇다면 GJ 523b는 왜 일반적인 경로를 벗어나 이런 독특한 특성을 갖게 되었을까.

연구진은 두 가지 가능성을 제시한다. 첫 번째는 GJ 523b가 초기에는 두꺼운 대기를 가지고 형성되었으나 이후 어떤 과정에 의해 대기가 벗겨졌을 가능성이다. 두 번째는 두 개의 원시 행성이 충돌하면서 하나의 더 큰 암석 행성이 만들어졌고, 그 충격으로 두 행성이 갖고 있던 가스층이 우주 공간으로 대부분 날아가 버렸을 가능성이다