참세상

출처: 미국국립광학적외선천문연구소(NOIRLab)/미국국립과학재단(NSF)/미국천문연구대학연합회(AURA)/R. 프로터(R. Proctor).

지구에서 약 1,350광년 떨어진 곳에는 TOI-2155라는 별이 있다. 이 별은 태양보다 약간 더 크고, 더 무겁고, 더 뜨겁지만, 그 자체로는 특별하거나 이례적인 천체가 아니다.

그러나 TOI-2155 주위를 공전하는 매우 흥미로운 천체가 있다. TOI-2155b라고 부르는 훨씬 작은 천체다. 우리는 이 천체가 중심별 앞을 지나갈 때 중심별의 밝기가 아주 미세하게 변하는 현상을 관측함으로써 그 존재를 확인했다.

그렇다면 TOI-2155b는 무엇일까? 작은 별일까? 거대한 행성일까? 아니면 그 중간 어디쯤 있는 천체일까? 좋은 질문이다.

나와 공동 연구자들은 최근 미국천문학회(AAS) 학술지 에 발표한 논문에서 TOI-2155b가 정말 별인지 아직 확신할 수 없다고 밝혔다. 그러나 이 천체는 하늘에서 밝게 빛나는 별과, 지속적인 수소 핵융합을 끝내 시작하지 못한 실패한 별 사이의 흥미로운 경계에 존재하는 것으로 보인다.

별은 왜 실패하는가

별은 우주 공간에 있는 거대한 가스 구름에서 탄생한다. 그렇다면 가스 구름은 얼마나 크고 무거워야 별이 될 수 있을까? 단순한 질문처럼 보이지만, 천문학자들은 수십 년 동안 그 답을 두고 논쟁해 왔다.

별 내부에서는 중력이 만들어 내는 압력이 아주 높아야 수소 원자들이 헬륨 원자로 핵융합할 수 있으며, 이러한 과정이 오랫동안 지속적으로 일어나야 한다. 바로 이 과정이 별의 특징인 강렬한 열과 빛을 만들어 낸다.

천체가 충분한 압력을 만들어 내지 못하거나 다른 이유로 핵융합이 제대로 시작하지 못하면, 그 가스는 갈색왜성(brown dwarf)이라고 부르는 일종의 ‘실패한 별’이 된다. 이러한 천체는 형성 초기에는 뜨겁지만, 지속적인 수소 핵융합을 하지 못하기 때문에 시간이 지나면서 점차 식어 가며 희미한 적외선을 방출한다.

천체가 왜 어떤 경우에는 별이 되고 어떤 경우에는 갈색왜성이 되는지 더 잘 이해하기 위해 천체물리학자들은 그 중간 영역에 있는 천체를 찾는다. 즉 가장 무거운 갈색왜성과 가장 가벼운 별을 연구한다.

TOI-2155b가 바로 이러한 천체다. 이 천체의 질량은 목성의 약 80.6배로, 이론적으로 예측한 경계선 바로 위에 자리한다.

별은 어디에서 끝나고 갈색왜성은 어디에서 시작하는가?

우리는 NASA의 외계행성 탐사 위성(TESS, Transiting Exoplanet Survey Satellite) 관측 자료와 전 세계 지상망원경의 관측 자료를 함께 이용해 TOI-2155b의 크기와 질량을 정밀하게 측정했다. TOI-2155b의 크기는 목성과 거의 같지만, 질량은 약 80배나 크다.

어떤 천체가 특정 질량에 이르면 갑자기 별이 된다고 생각할 수도 있다. 그러나 현실에서는 흔히 그렇듯 그렇게 명확한 경계는 존재하지 않는다.

행성, 갈색왜성, 별을 구분하는 기준은 질량이라는 것이 표준 이론의 설명이지만, 실제로는 그보다 훨씬 복잡하다. 출처: NASA/JPL-Caltech.

천문학자들은 전통적으로 그 경계를 목성 질량의 약 75~80배 부근으로 설정해 왔다. 그러나 최신 이론 모형은 질량뿐 아니라 다른 요인들도 이러한 전이를 결정한다는 사실을 보여 준다.

천체의 나이와 화학 조성, 심지어 대기의 특성까지도 지속적인 수소 핵융합을 유지할 수 있는지에 영향을 미친다. 이러한 이유로 천문학자들은 갈색왜성과 별을 구분하는 질량 경계를 어디에 설정해야 하는지를 두고 지금도 의견이 일치하지 않는다.

매우 희귀한 천체

TOI-2155b는 지금까지 발견한 갈색왜성 가운데 가장 무거운 천체일 수도 있고, 반대로 가장 가벼운 별 가운데 하나일 수도 있다. 이러한 질량 전이 영역에 있는 천체는 현재까지 극히 적으며, TOI-2155b는 그 경계를 더 잘 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것이다.

천문학은 종종 가장 희귀한 천체를 통해 가장 많은 것을 배운다.

그러나 단 하나의 천체만으로는 그 경계가 정확히 어디에 있는지 결정할 수 없다. 우리는 이러한 전이 영역에 속하는 더 많은 천체를 발견하고 정밀하게 연구해야만 이론 모형을 더욱 정교하게 다듬을 수 있다. 그렇게 해야 별이 점화해 수십억 년 동안 핵융합을 지속하는 조건을 이해할 수 있으며, 바로 그 과정이 오늘날 우리가 알고 있는 우주를 만들어 냈다.

[출처] What makes a star a star? A strange ‘in-between’ celestial object is testing astronomers’ boundaries

[번역] 하주영