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- 천문학자들은 이미 6천 개가 넘는 외계 행성 중에서 여러 특이한 행성을 발견했다.
- 대기가 분자 탄소로만 이루어져 있고 다른 원소는 거의 없는 최초의 행성
- 펄서를 공전하는 최초의 가스 행성 발견
- 현재로서는 이 특이한 탄소 행성은 불가사의한 현상

이 외계행성은 독특하고 불가사의하다.
천문학자들은 거의 순수한 탄소로 이루어진 펄서 근처 가스 행성에 당혹감을 감추지 못하고 있다.

설명할 수 없는 이례적인 행성:
천문학자들이 완전히 새로운 유형의 외계 행성을 발견했다. 이처럼 특이한 행성은 이전에는 관측된 적이 없다. 대기가 분자 탄소로만 이루어져 있고 다른 원소는 거의 없는 최초의 행성이다. 더욱이, 이 가스 행성은 매우 가까운 펄서를 공전하고 있다. 이 행성은 우주의 "검은 과부"와 같은 펄서의 동반 행성 중 가장 가벼운 것으로 알려져 있다. 현재까지 천문학자들조차 이 특이한 행성이 어떻게 형성되었는지 설명하지 못하고 있다. 

▲ 천문학자들이 지금까지 발견된 어떤 외계행성과도 다른 행성을 발견했다. 이 행성은 거의 전적으로 탄소로 이루어져 있으며, 매우 가까운 펄서를 공전한다. (삽화) © NASA/ESA/CSA, Ralf Crawford (STScI)

천문학자들은 이미 6천 개가 넘는 외계 행성 중에서 여러 특이한 행성을 발견했다. 다이아몬드 행성, 사파이어와 루비로 이루어진 슈퍼지구, 오이 모양 궤도를 가진 행성, 극도로 부풀어 오르고 변형된 뜨거운 가스 행성 등 그 종류는 다양하다. 연구자들은 또한 여러 개의 태양을 가진 행성이나 같은 궤도를 도는 두 개의 성장하는 행성도 발견했다.

펄서를 공전하는 최초의 가스 행성 발견

현재 천문학자들은 수수께끼에 직면해 있다. 시카고 대학교의 마이클 장(Michel Zhang) 연구팀은 기존의 어떤 범주에도 속하지 않는 외계 행성을 발견했다. 연구팀은 밀리초 펄서(빠르게 회전하는 중성자별) 주위를 근접 공전하는 천체를 연구 대상으로 삼았다. PSR J2322-2650b로 명명된 이 천체는 공전 주기가 단 7.8시간에 불과하며, 그만큼 매우 뜨겁다.

장 교수 연구팀은 "PSR J2322-2650b는 질량, 밀도, 온도가 모두 뜨거운 가스 행성에 해당하는 유일한 천체라는 점에서 기존의 모든 펄서 동반 천체와 다르다"고 설명한다. 초기 측정 결과에 따르면, 이 천체는 질량이 목성의 0.8배에 불과하고 밀도가 낮으며, 온도는 2천도 이상으로 매우 높다. 따라서 '뜨거운 목성'으로 분류된다. 천문학자들의 설명에 따르면, 이 행성은 펄서를 공전하는 최초의 외계 행성이다.

▲ 펄서 직접 가열 모델을 사용하여 해석한 두 개의 연속체 대역에서 관측된 동반성의 광도 곡선. (a) 곡선은 모델을 나타내고, 점은 데이터를 나타낸다. 이 모델은 최소값(ϕ ∼ 0 및 ϕ ∼ 1)에서의 강한 궤도 간 변동을 포착하지 못하지만, 가열된 면에서 나오는 플럭스를 잘 설명하고 쌍성계 매개변수를 제한한다(5절 참조). 가열된 동반성의 표면 온도에 대한 지구 관측 모식도가 광도 곡선 아래에 표시되어 있다. (b) 및 (c) 각 모델의 잔차를 해당 광도 곡선과 비교한 그래프. (출처:A Carbon-rich Atmosphere on a Windy Pulsar Planet / Astro Physical Journal Letters / Published 2025 December 16 · © 2025. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.)

스펙트럼 속 놀라운 발견

하지만 더 놀라운 사실은, 장(Zhang)과 그의 연구팀이 제임스 웹 우주망원경의 고해상도 근적외선 분광기(NIRSpec)를 이용해 이 펄서 행성을 처음으로 자세히 관측했다는 점이다. 관측의 목적은 PSR J2322-2650b의 가스층과 구성 성분에 대한 더 많은 정보를 얻는 것이었다. 펄서가 주로 감마선을 방출하기 때문에, 이 행성의 적외선 스펙트럼은 특히 선명하고 간섭이 적다.

▲ PSR J2322-2650b는 밀리초 펄서를 매우 근접하게 공전하고 있다. 그런데 이 천체는 무엇일까? © NASA/ESA/CSA, Ralf Crawford (STScI)

실제로, 이 망원경은 외계 행성의 뜨거운 낮 부분의 매우 선명한 스펙트럼을 제공했고, 전혀 예상치 못한 것을 발견했다. 워싱턴 D.C. 카네기 연구소의 공동 저자인 피터 가오(Peter Gao)는 "정말 놀라운 발견이었다"고 회상하며, "처음 데이터를 받았을 때, 우리 모두의 반응은 '이게 도대체 뭐지?'였다. 우리가 예상했던 것과는 완전히 달랐다"고 덧붙였다.

가스 껍질 속 순수 탄소 분자

PSR J2322–2650b의 스펙트럼에서 분자 탄소의 불규칙한 흔적이 관찰되었다. 이 분자 탄소는 탄소 원자 두세 개(C2와 C3)로 이루어진 화합물이다. 장 박사는 "이런 행성 대기는 전례가 없다"며, "일반적인 행성 대기의 분자인 물, 메탄, 이산화탄소 대신 분자 탄소가 관측되었다"고 말했다.

▲ PSR J2322-2650b는 낮은 질량과 펄서와의 근접성 때문에 독특하다. © Zhang et al./ Astrophysical Journal Letters, CC-by 4.0

고온에서 순수한 탄소는 거의 존재하지 않기 때문에 이는 매우 이례적인 현상이다. 질소나 산소와 같은 다른 원소가 존재하면 즉시 반응해 버리기 때문이다. 하지만 이 펄서 행성에는 상대적으로 반응성이 낮은 헬륨 외에는 다른 원소가 거의 없는 것으로 보인다.

모든 외계 행성 중 유일무이한 존재

이러한 특징으로 인해 펄서 행성 PSR J2322–2650b는 알려진 모든 외계 행성 중에서 절대적으로 독특한 존재다. 가스 껍질에는 그을음 구름이 떠다니며, 더 깊은 층으로 갈수록 밀도가 높아지다가 결국 탄소가 다이아몬드 형태로 변하는 것으로 추정된다. 펄서에 매우 가까이 위치해 있기 때문에, 이 특이한 가스 행성은 구형보다는 레몬처럼 길쭉한 모양을 하고 있다고 천문학자들은 보고했다. 또한 PSR J2322–2650b의 가스 외피층에서는 강하고 빠른 서풍이 불고 있다.

어떻게 이런 외계 행성이 생겨났을까? 그것도 펄서에 이렇게 가까이에서? 지금까지 천문학자들은 이 현상에 대해 의문을 품고 있다. 밀리초 펄서에 이처럼 가까이 행성이 존재하는 것은 극히 드문 일이다. 일반적으로 이러한 쌍성계는 펄서에 의해 서서히 빨려 들어가는 별, 즉 "블랙 위도우"로 알려진 펄서로 구성된다.

연구팀은 "알려진 약 50개의 블랙 위도우 시스템 중, 목성 질량의 10배 미만인 동반성을 가진 시스템은 극소수에 불과하다"고 설명했다. 그리고 이러한 동반성 중 PSR J2322–2650b처럼 특이한 구성을 가진 것은 없다.

▲ 3D GCM에서 얻은 온도 구조. 여기서는 두 개의 등압선(왼쪽)에서의 시간 평균 온도 및 유선 지도와 두 가지 다른 열 축적 조건에 대한 적도 온도-압력 프로파일(오른쪽)을 보여준다. 펄서 바로 아래 지점은 별표로 표시되어 있다. 등압선 투영은 대략 20mbar(지도의 위쪽 행)에 해당하며, 이는 T-P 프로파일에서 파란색 항성 바로 아래 지점 표시와 점선으로 나타난다. 또한 2bar(지도의 아래쪽 행)는 3bar와 0.3bar를 중심으로 열 축적을 가정한 맞춤형 가열 방식을 적용한 GCM에서 얻은 결과이며, 이는 보라색 점선과 표시로 나타납니다. 빠른 자전 속도와 심층 가열의 조합으로 이러한 순환 패턴이 나타넌다. 특히, 두 가지 열 축적 조건 모두에서 2bar 압력 수준에서 서쪽으로 치우친 중위도 고온 영역을 확인할 수 있다. 그러나 20mbar에서는 가열이 더 얕은 모델에서 보다 대칭적이고 서쪽으로 치우친 편향이 나타나지 않는 다른 온도 구조가 관찰된다. 3bar의 경우처럼 더 심하게 가열된 상황에서는, 음의 경도에 중심을 둔 고온 영역은 관측된 바와 같이 0.5단계 이후에 플럭스 피크가 나타남을 의미한다. (출처:A Carbon-rich Atmosphere on a Windy Pulsar Planet / Astro Physical Journal Letters / Published 2025 December 16 · © 2025. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.)

이 외계 행성의 형성 과정은 여전히 ​​미스터리로 남아 있다.

"이런 펄서 행성이 어떻게 이토록 극단적으로 탄소가 풍부한 구성을 갖게 되었는지 상상하기 어렵다"고 장 박사는 말했다. "알려진 모든 형성 메커니즘은 여기서 배제된다." 이론적으로, 블랙 위도우 펄서는 동반성에서 물질을 빨아들여 행성과 같은 잔해만 남길 수 있다. 하지만 이러한 잔해는 일반적으로 헬륨 외에도 질소와 산소를 다량 함유하고 있다. "이러한 별의 핵물리학적 과정으로는 순수한 탄소가 생성되지 않는다"고 장 박사는 설명했다.

그럼에도 불구하고 이 펄서 행성은 산소보다 탄소가 100배, 질소보다 탄소가 1만 배나 더 많다. "이 과정이 어떻게 이러한 극단적인 원소 비율을 만들어내는지는 설명하기 어렵다"고 천문학자들은 지적했다. 탄소 항성에서도 드물게 핵융합 과정으로 인해 탄소가 매우 많이 생성되는 경우가 있지만, PSR J2322–2650b처럼 극단적인 원소 비율은 나타나지 않는다.

이러한 과정이 어떻게 그러한 원소 비율을 만들어내는지는 설명하기 어렵다. 따라서 현재로서는 이 특이한 탄소 행성은 불가사의한 현상으로 남아 있다. 천문학자들은 이제 다른 특히 가벼운 펄서 동반체의 스펙트럼 분석을 통해 해답을 찾을 수 있기를 기대하고 있다. 적어도 이러한 분석을 통해 PSR J2322–2650b가 특이한 사례인지, 아니면 완전히 새로운 유형의 외계행성의 첫 번째 대표인지를 밝힐 수 있을 것이다.

참고: The Astrophysical Journal Letters, 2025; doi: 10.3847/2041-8213/ae157c
출처: NASA, Space Telescope Science Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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