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- 2021년 12월 ASAS-SN(All Sky Automated Survey for Supernovae)은 이 별이 강하게 어두워지는 것 감지
- 이 행성들은 원래 무게가 지구 질량의 약 8~9배였으며 2~16AU(천문단위) 거리에서 공전
- 충돌 지점의 뜨거운 질량으로부터 새로운 행성이 형성될 것

천문학자들은 행성 충돌을 관찰했다.
두 얼음 거인의 충돌로 인해 적외선 급증이 발생하고 그 후 별 일식 발생

재앙적인 종말:
천문학자들은 처음으로 두 개의 외계 행성의 충돌을 관찰했다. 두 개의 거대한 얼음 행성의 치명적인 충돌은 처음에는 찢어지고 대부분 증발된 행성의 열로 인해 적외선 범위에서 빛을 발산했다. 연구자들이 네이처(Nature)에 보고한 바와 같이, 팽창하는 행성 파편 구름은 점차적으로 모항성의 빛을 가렸다. 그들은 앞으로 몇 년 안에 이 행성 충돌의 결과를 더욱 면밀히 추적할 수 있기를 희망한다. 

▲ 천문학자들은 충돌이 젊은 행성계에서 더 자주 발생한다고 오랫동안 의심해 왔다. 그러나 우리는 이러한 행성 재앙을 직접적으로 관찰한 적이 없다. © Mark Garlick

젊은 행성들은 위험하게 살고 있다. 별 주위의 모든 천체의 궤도가 안정될 때까지는 항상 충돌의 위험이 있다. 수성, 천왕성, 지구를 포함한 초기 태양계의 원시행성과 거의 치명적인 충돌도 있었다. 천문학자들은 또한 비정상적인 밀도나 누락된 대기로 인해 충돌에서 거의 살아남지 못했음을 나타내는 일부 외계 행성을 발견했다. 그러나 천문학자들은 아직까지 이러한 행성 충돌을 직접 관찰할 수는 없었다.

가려진 별과 적외선 광선

이제는 바뀌었다. 라이덴 천문대 매튜 켄워시(Matthew Kenworthy)가 이끄는 국제팀이 처음으로 이러한 행성 충돌을 직접 관찰했다. 그 원동력은 어리지만 그다지 눈에 띄지 않는 별 2MASS J08152329-3859234의 갑작스러운 변화를 관찰한 것이었다. 2021년 12월 ASAS-SN(All Sky Automated Survey for Supernovae)은 이 별이 강하게 어두워지는 것을 감지했으며 Kenworthy 팀이 이를 발견했다. 

천문학자들이 ASASSN-21qj라고 불리는 이 관측의 광도 곡선을 발표한 후, 동료는 이 별이 비정상적으로 행동한 것이 이번이 처음이 아니라고 지적했다. 적외선 범위에서 눈에 띄게 밝아지는 현상이 나타났다”고 Kenworthy가 보고했다. “솔직히 이것은 꽤 놀라운 일이었다. 이것이 특이한 사건임이 분명해졌다.”

이유는 무엇일까?

이 문제를 조사하기 위해 천문학자들은 이제 ASASSN-21qj 시스템이 어두워지기 전후 몇 년 동안 촬영한 광학 망원경 네트워크와 적외선 위성 WISE의 이미지를 체계적으로 평가했다. 적외선 빛은 별 자체에서 나온 것이 아니라 새로운 소스에서 나온 것으로 밝혀졌다. 데이터에 따르면 이것은 약 1000 켈빈의 뜨거움이어야 하며 태양 반경 약 7배의 크기에 해당한다.

연구자들은 적외선 방출의 지속 시간, 범위 및 온도를 기반으로 별의 폭발이나 별에 의해 가열된 먼지구름을 신속하게 배제할 수 있었다. 대신, 이상한 사건은 다른 시나리오에 적합하다. "우리는 여기서 보고 있는 것이 두 개의 슈퍼 지구 또는 미니 해왕성 사이의 충돌의 여파라고 가정한다"고 천문학자들은 보고했다.

두 얼음 거인의 충돌

이는 두 개의 젊은 외계 행성 사이의 치명적인 충돌이 약 3억 년밖에 되지 않은 별 주위의 궤도에서 발생했음이 틀림없다는 것을 의미한다. 천문학자들이 판단한 바에 따르면, 이 행성들은 원래 무게가 지구 질량의 약 8~9배였으며 2~16AU(천문단위) 거리에서 별을 공전했다. 따라서 태양계의 궤도는 화성과 천왕성 사이에 있게 된다. 어떤 외부 방해로 인해 이 얼음 거인 중 하나가 궤도를 벗어나 이웃과 충돌하는 경로로 이동하게 되었을 것이다.

▲ 이 시뮬레이션은 두 얼음 거인의 충돌과 중앙 잔해 구역의 밀도 변화를 보여준다. © 두 징야오(Jingyao Dou)

“이러한 거대한 충돌은 행성이 경험할 수 있는 가장 활력 넘치는 사건”이라고 천문학자들은 설명한다. "이 질량의 두 행성의 충돌은 1033~1034줄의 운동 에너지를 방출한다. 이는 충돌하는 물체를 여러 번 증발시키기에 충분하다." Kenworthy와 그의 팀이 보고한 것처럼 두 외계 행성은 아마도 완전히 파괴되고 증발했을 것이다.

회전하는 불씨와 기화된 잔해

두 개의 외계 행성이 충돌했을 때, 두 개의 원래 행성보다 약 100배 더 큰 조밀하고 뜨겁고 빠르게 회전하는 구조가 형성되었다. 이는 적외선 영역에서 ASASSN-21qj의 갑작스러운 깜박임을 설명할 수 있다. 천문학자들은 “약 1,000켈빈의 열복사를 가진 그러한 물체는 우리가 관찰한 것과 일치하는 적외선 복사를 방출할 것”이라고 썼다.

동시에, 원래 질량의 약 1%에 해당하는 증발된 행성 잔해 중 일부가 궤도에 던져졌다. “이 증기의 냉각과 응축은 작은 먼지 알갱이와 응고된 구형의 집단을 생성한다”고 팀은 말했다. 그 후 몇 달, 몇 년에 걸쳐 이 먼지와 잔해 구름은 별 주위에 어두운 띠처럼 퍼져 별의 빛을 어둡게 합니다. 이것이 바로 천문학자들이 2021년 12월에 관찰한 것이다.

새로운 행성과 초승달

공동 저자인 브리스톨 대학의 Zoe Leinhardt는 "추가 개발을 따르는 것은 매우 흥미로울 것"이라고 말했다. 이는 충돌 지점의 뜨거운 질량으로부터 새로운 행성이 형성될 것이라고 가정한다. 이는 원시 행성 테이아(Theia)와의 충돌 후 어린 지구가 다시 태어난 것과 유사하다. 외계 행성 충돌로 인해 방출된 잔해 구름은 시간이 지남에 따라 계속 퍼지고 다소 얇아진다.

이 잔해는 새로운 천체가 될 수도 있다. "유물 주변의 잔해가 일련의 위성으로 응축되어 새로 형성된 행성을 공전하는 것일 수 있다"고 Leinhardt는 말했다. 그녀와 그녀의 동료들은 지구 망원경과 James Webb 망원경을 사용하여 추가 개발을 계속 모니터링하기를 원한다.
(nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06573-9)
출처: Nature, University of Bristol

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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