포말하우트 b(Fomalhaut b)의 정체 : 미행성체 간의 충돌 흔적일까?

CREDITS: NASA, ESA, and A. Gaspar and G. Rieke (University of Arizona)

사진 1>
이 표는 수년 간에 걸쳐 촬영된 허블우주망원경의 사진을 근거로 천문학자들이 진행한 연구 내용을 보여주고 있다.
이번 사건은 외계행성계에서 발생한 행성체 간의 충돌 여파를 처음으로 관측한 증거로 간주되고 있다. 
왼쪽 사진은 25광년 거리의 포말하우트와 포말하우트를 둘러싸고 있는 방대한 얼음 파편 고리를 보여주고 있다. 
포말하우트 자체는 너무도 밝기 때문에 먼지고리가 드러날 수 있도록 별의 광채를 막아내는 가림원반이 사용되었다. 
2008년, 천문학자들은 처음으로 외계행성을 직접적으로 촬영한 것으로 생각했었다. 
하지만 이 외계행성 후보 천체는 2014년 허블우주망원경 관측에서는 사라져 버린 상태였다. 
이 현상에 대한 최상의 해석은 이 천체가 애초에 형성이 완료된 행성이 아니며, 지름 약 200킬로미터의 작은 두 개 천체가 충돌하면서 만들어진 팽창하는 먼지 구름으로 보는 것이다. 
오른쪽 표는 점점 팽창해가며 흐려지는 대상 천체의 모습을 보여주고 있다. 
아주 미세한 먼지로 구성된 이 구름의 현재 폭은 약 3억 2천만 킬로미터이다. 
포말하우트 주변에서 이와 같은 행성체의 충돌은 약 20만년 마다 한번씩 발생하는 것으로 추정되었다. 
따라서 허블우주망원경의 관측은 이러한 사건이 발생되는 과정을 적재적시에 포착한 것이라 할 수 있다. 

이제 더 이상 그 천체를 볼 수 없다. 
천문학자들이 외계행성이라고 생각했던 그 천체가 지금은 사라진 것으로 보인다. 
영화 슈퍼맨에서는 슈퍼맨의 고향행성인 크립톤이 폭발되어 사라지는 장면이 나온다. 
천문학자들은 마치 공상과학 소설에서나 있을법한 이번 현상을 설명하기 위한 다양한 방안을 찾고 있다. 

이 외계행성은 2004년 처음으로 촬영되었다. 
하지만 지금 천문학자들은 이 외계행성이 애초에 행성이었다기보다는 포말하우트 인근에 있는 두 개의 거대 천체가 충돌하면서 만들어진 먼지 덩어리가 아니었을까 추정하고 있다. 
후속 관측을 통해 이러한 독특한 결론이 사실일 수도 있음이 밝혀진 것이다. 

애리조나 대학 안드라스 게스퍼(Andras Gaspar)의 설명은 다음과 같다.
"이러한 충돌은 대단히 드물게 일어나는 일입니다. 즉 우리가 그 충돌을 봤다는 것은 정말 특별한 일인 셈이죠. 

 이 희귀한 사건을 적재적시에 볼 수 있었던 특별한 경험을 한 것이 아닌가 생각합니다."

애리조나 대학 스튜어드 천문대의 조지 리키(George Rieke)의 설명은 다음과 같다.
"포말하우트계는 행성계의 진화를 연구할 수 있는 최상의 연구소입니다. 
 우리는 이와 같은 충돌이 여러 외계행성계에서 발생하고 있다는 증거를 가지고 있죠. 
 하지만 그러한 현상이 직접적으로 관측된 적은 없습니다. 
 이번 사건은 행성들이 어떻게 서로 충돌하여 파괴되는지를 보여주는 사건이라 할 수 있습니다."
  
포말하우트 b 라는 이름의 이 천체가 처음으로 보고된 때는 2008년이다. 
당시 보고는 2004년과 2006년의 관측 데이터를 기반으로 한 것이었다. 
( 역자 주 : 2008년 포말하우트b 발견 보도문 )
여러 해에 걸친 허블관측 결과 움직이고 있는 점 하나가 명백하게 그 모습을 드러냈던 것이다. 

당시까지 외계행성의 존재는 별이 앞뒤로 미세하게 흔들리는 현상을 관측하거나 별의 전면에 행성이 지나가면서 약간씩 광량이 줄어드는 것과 같은 간접적인 관측으로 증명되었다. 

하지만 이후 포말하우트 b에 대해서는 직접적으로 사진이 촬영된 다른 외계행성들과는 다른 이상한 특징들이 있음이 밝혀졌다. 

우선 이 천체는 가시광선에서 유난히 밝은 빛을 내었지만 적외선에서는 어떠한 열신호도 포착되지 않았다.  
천문학자들은 이처럼 밝은 빛이 이 행성을 둘러싸고 있는 먼지 고리 또는 거대한 먼지 껍데기 때문에 발생하는 것으로 추론하였다. 
포말하우트 b의 공전 궤도 역시 특이했다. 
극심한 편심궤도를 돌고 있었던 것이다. 

( 역자 주 : 포말하우트b의 독특한 공전궤도에 대한 뉴스 )

게스퍼는 포말하우트에 대한 허블관측 데이터를 전량 분석한 결과 몇몇 특성을 밝혀낼 수 있었는데 이 특성들은 행성과 같은 천체가 애초에 존재하지 않았다는 점을 시사한다고 말했다. 
연구팀은 결정타로 2014년 허블우주망원경의 관측 데이터를 들었다. 

믿을 수 없게도 당시 촬영된 사진에서 포말하우트 b가 더 이상 보이지 않았던 것이다. 
수수께끼를 더욱 증폭시킨 것은 이전에 촬영된 사진들을 보니 이 천체가 지속적으로 희미해지는 양상을 보였다고 한다. 
게스퍼는 포말하우트b가 진짜 행성이라면 이와 같은 일은 있을 수 없는 현상이라고 평가했다. 

이들은 이러한 자료들을 기반으로 포말하우트b는 외계행성이 아니라 우주공간으로 서서히 퍼져나가고 있는 먼지 구름으로 해석했다. 
활용가능한 모든 데이터를 기반으로 게스퍼와 리키는 이 먼지구름을 만들어낸 충돌이 처음으로 이 천체를 촬영한 2004년에서 그렇게 오래 전에 발생한 것은 아니라고 추정했다. 

 

CREDITS: ESA, NASA, and M. Kornmesser
그림 1> 
이 그림은 25광년 거리의 포말하우트 주위를 돌고 있는 지름 약 200킬로미터의 먼지가득한 얼음천체가 충돌하고 있는 모습을 그린 상상화이다.  
허블우주망원경을 이용한 여러 해에 걸친 관측 결과 외부 행성계에서 행성체간의 충돌을 처음으로 관측한 것으로 보이는 증거들이 발견되었다.  
처음에는 포말하우트 주위를 공전하는 행성이라고 생각했던 천체가 허블우주망원경이 촬영한 사진에서 점점 사라지는 모습을 보인 것이다.

 

이제 이 먼지구름을 구성하는 대부분의 입자들은 지름 1마이크론 정도-머리카락 지름의 50분의 1정도-의 입자들로서 이는 허블우주망원경의 관측 한계 밑으로 내려가는 크기이다. 
또한 먼지 구름은 지구 공전궤도 정도 크기 이상으로 퍼져나간 것으로 추정된다. 

 

또한 혼동스러운 점은 이 천체의 궤도가 행성에서 예견되는 타원형 궤도가 아니라 탈출각에 가깝다는 점이었다. 
이는 이전에 관측된 데이터 상의 궤적에 최근 관측 데이터를 추가하여 분석한 결과이다. 
게스퍼의 설명은 다음과 같다.
"최근에 생성된 이 거대한 먼지 구름은 포말하루트로부터 뿜어져나오는 강력한 복사압력을 받고 있습니다. 

 아마 이것이 이 천체의 궤도에 영향을 미쳤을 것입니다.
 우리가 수립은 모델은 포말하우트계에 대해 독립적으로 수행한 각 관측에서 획득한 변수들, 즉 팽창율이라든가,

 점점 사라지는 현상, 그리고 궤도까지 이 모든 것을 자연스럽게 설명할 수 있습니다. "
 
포말하우트 b는 현재 포말하우트를 둘러싸고 있는 방대한 얼음 파편 고리 내부에 자리잡고 있기 때문에 충돌이 일어난 천체들은 마치 우리 태양계에서 카이퍼벨트에 있는 혜성처럼 얼음과 먼지의 혼합체일 가능성이 있다. 
게스퍼와 리키는 충돌을 일으킨 천체들의 크기가 지름 약 200킬로미터의 천체들일 것으로 추정하였는데 이는 소행성 베스타의 반 정도에 해당하는 크기이다. 

이번 논문의 저자들에 따르면 이들이 수립한 모델은 포말하우트 b의 특성을 모두 설명해 줄 수 있다고 한다. 
애리조나 대학의 컴퓨터 클러스터로 수행된 복잡한 먼지 역학 모델링은 이들이 제안한 모델이 모든 관측결과에 양적으로 들어맞는다는 점을 보여주었다.  
저자들의 계산에 따르면 포말하우트계는 지구로부터 25광년 거리에 위치하며 이번과 같은 사건은 20만년에 한 번 꼴로 발생하는 것으로 추정하고 있다. 
게스퍼와 리키를 비롯하여 관련 주제에 참여하고 있는 모든 연구팀의 구성원들은 제임스웹우주망원경의 설치 첫 해에 포말하우트를 관측할 예정이다. 
연구팀은 포말하우트계에서 상대적으로 따뜻한 안쪽 지역을 촬영할 예정이며 이를 통해 외계행성계에서 포착하기 어려운 소행성벨트와 같은 구조를 처음으로 분석해낼 예정이다. 
또한 연구팀은 포말하우트 주위를 돌고 있는, 포말하우트 원반 외곽을 깎아내고 있을 가능성이 있는 진정한 행성을 찾아볼 생각이다. 이들은 또한 원반의 화학적 조성도 분석할 것이다. 

이들의 연구논문은  "포말하우트계에서 무거운 행성체의 충돌을 밝혀주는 새로운 허블 관측 데이터와 모델링(New HST [Hubble] data and modeling reveal a massive planetesimal collision around Fomalhaut)"이라는 제목으로 국립과학아카데미의 절차에 따라 2020년 4월 20일 발행되었다. 

출처 : 허블사이트 2020년 4월 20일 발표 뉴스

        https://hubblesite.org/contents/news-releases/2020/news-2020-09