목성만큼 무거운 외계 위성 후보, 행성이 아닌 갈색왜성을 돈다

남쪽 별자리 비둘기자리에 있는 갈색왜성이 일정한 주기로 앞뒤로 흔들리고 있으며, 가장 그럴듯한 설명은 목성만한 질량의 천체가 그 주위를 돌고 있다는 것이다. 이 신호가 사실로 확인된다면, 그 동반 천체는 태양계 밖에서 진정한 신뢰를 가지고 탐지된 최초의 자연 위성이 될 것이며, 이는 수십 년간 천문학자들이 성공하지 못했던 숙원이다.

문제는 이 천체가 우리가 아는 달과 거의 닮지 않았다는 점이다. 이 천체가 도는 대상은 행성이 아니라 갈색왜성, 즉 행성이 되기엔 너무 무겁고 태양처럼 수소를 태우기엔 너무 작은 ‘실패한 별’이며, 이 갈색왜성은 다시 작은 적색왜성을 공전한다. 이 발견을 이끈 팀은 칠레 유럽남방천문대(ESO)의 박사 과정 학생인 케빈 호이(Kevin Hoy)가 이끌고 있으며, 이 천체를 외계 위성체(exosatellite)라고 부르면서 용어가 따라잡지 못하고 있음을 인정한다.

“이 계는 ‘행성’이나 ‘달’ 같은 태양계 기반의 단어로 정의하기가 다소 어렵습니다,” 호이가 ESO의 발표에서 말했다. “외계 위성체는 분명 행성이 될 만큼 무겁지만, 별을 공전하지는 않습니다. 다만 별을 공전하는 천체를 공전하고 있죠. 이 계에서 세 번째 바퀴가 된다는 것은 우리가 그것을 달이라고 부르고 싶게 만듭니다. 비록 우리 계에 있는 작고 바위투성이인 달과는 전혀 다르지만요.”

모항성 CD-35 2722는 지구에서 약 73광년 떨어져 있으며 질량은 태양의 대략 절반이다. 이 별의 갈색왜성 동반천체는 CD-35 2722 B로 등록되어 있으며, 질량은 목성의 약 37배이다. 새로 보고된 위성의 최소 질량은 목성 질량의 약 0.9배이며, 갈색왜성 주위를 약 170일 주기로 한 바퀴 돈다.

흔들림이 숨겨진 달을 어떻게 드러냈나

아무도 이 위성을 본 적이 없다. 연구팀은 대신 그 중력을 관찰했다. 동반천체가 공전하면서 갈색왜성을 지구 쪽으로 약간 당겼다가 멀어지게 하며, 이러한 움직임은 갈색왜성 스펙트럼의 선들을 미세하고 측정 가능한 양만큼 이동시킨다. 이것이 시선속도법으로, 태양과 같은 별 주변에서 발견된 첫 번째 행성인 51 페가수스자리 b를 밝혀낸 것과 동일한 기법이다.

측정은 칠레 아타카마 사막의 파라날에 있는 ESO 초거대망원경(VLT)에 장착된 고해상도 적외선 분광기 CRIRES+로 이루어졌다. 적외선이 적합한 이유는 갈색왜성이 차갑고 어두워 대부분의 빛을 적외선 파장에서 방출하기 때문이다. 또한 CD-35 2722 B는 모항성으로부터 지구와 태양 거리의 약 67배나 떨어져 있어, 망원경이 별의 눈부심에 묻히지 않고 갈색왜성의 빛을 분리해낼 수 있다.

천문학자들은 2년 넘게 26개의 시선속도 측정값을 수집했고, 여기에 여러 모델을 테스트했다. 그중에는 갈색왜성이 두 개의 위성을 거느린 모델도 포함되어 있었다. 170일 주기의 단일 동반천체 모델이 가장 잘 맞았다. 젊고 스스로 빛나는 거대 천체의 스펙트럼을 통해 위성을 찾는 전략은 몇 년 전 현재 하버드 대학교 천문학자인 앤드루 밴더버그(Andrew Vanderburg)가 공동 집필한 논문에서 제안된 바 있다. “이 기법이 이렇게 특이한 천체를 드러낼 줄은 상상도 못했습니다!” 밴더버그가 미국지구물리학회(AGU)의 뉴스 매거진 이오스(Eos)에 말했다.

왜 이전까지 외계 위성이 확인되지 않았나

다른 별 주변에서 6,000개 이상의 행성이 발견되었지만, 그 위성들은 여전히 손에 닿지 않았다. 위성은 작고 희미하며, 행성과 별의 눈부심에 묻혀 있다. 케플러-1625b 행성 주변에서 제안된 해왕성 크기의 위성 같은 이전 후보들은 우주 망원경이 기록한 별빛의 미세한 감소에서 비롯되었지만, 후속 분석에서는 그 위성이 존재하는지에 대해 여전히 의견이 분분하다.

쿠엔틴 크랄(Quentin Kral)이 이끄는 별도의 팀은 최근 ESO 초거대망원경 간섭계(VLTI)를 사용하여 HD 206893 계에서 위성의 흔적을 찾았지만 확실한 탐지에는 이르지 못했다. 이러한 기록이 이 팀이 자신들의 주장을 신중하게 표현하는 이유를 설명한다. “이 계는 이국적이기는 하지만 진정으로 독특하며, 외계 위성체의 첫 번째 그럴듯한 탐지라는 돌파구를 나타냅니다,”라고 공동 저자인 디에고 포르탈레스 대학교의 ‘젊은 외계행성과 그 위성에 관한 밀레니엄 핵’ 소장 앨리스 주를로(Alice Zurlo)가 말했다.

행성이 될 만큼 무거운 달

규모에서 이 계는 이상해진다. 태양계에서 가장 큰 위성인 가니메데는 행성 수성보다 크지만 목성 질량의 1만분의 1도 안 된다. 발표된 수치에 따르면 CD-35 2722 B 주변의 후보 위성은 모천체 질량의 최소 약 2%를 지니며, 이는 지구와 달의 비율(이미 태양계 기준으로 비정상적으로 높은 수치)의 대략 두 배에 달한다.

주를로는 이를 “그 자체로 목성 질량의 몇 배에 달하는 고질량 동반천체를 도는 거대한 기체 천체”라고 설명했다. 혼자서 별을 공전한다면 이렇게 무거운 천체는 단순히 가스 행성이라고 불릴 것이다. 어떻게 형성되었는지는 미해결 질문이다. 우리 달은 아마도 젊은 지구에 거대 충돌이 일어난 후 파편에서 뭉쳐졌을 것이고, 목성의 큰 위성들은 젊은 행성 주변의 가스와 먼지 원반에서 자랐지만, 이렇게 무거운 위성에 대해서는 두 시나리오 모두 검증된 바 없다.

이 계가 젊다는 점이 측정을 가능하게 한다. CD-35 2722는 약 1억 년 된 별들의 무리인 AB 도라두스 운동군에 속하므로, 갈색왜성은 아직 형성 당시의 열을 간직하고 있어 정밀한 스펙트럼을 얻기에 충분히 밝게 적외선을 방출한다.

신호가 해결하지 못한 것

이번 탐지는 한 세트의 측정에서 반복되는 신호에 의존하며, 시선속도법은 최소 질량만을 알려준다. 시선 방향에 대한 궤도 경사가 알려지지 않았기 때문에 실제 질량은 더 클 수 있다. 위성은 직접 촬영되지 않았으며, 갈색왜성 앞을 지나가는 통과 현상도 포착되지 않았다.

또한 위성이 전혀 없어도 설명 가능한 가설도 있다. 갈색왜성 표면이나 내부에서 일어나는 어떤 현상, 예를 들어 시야 안팎으로 회전하는 흑점이나 날씨 같은 것이 원칙적으로 스펙트럼의 규칙적인 이동을 모방할 수 있다. 호이는 이오스에 연구팀이 “우리가 보는 신호를 재현할 수 있는 물리적 메커니즘을 전혀 생각해낼 수 없다”고 말했으며, 이것이 위성을 가장 그럴듯한 설명으로 간주하는 이유라고 밝혔다. 이는 강력한 주장이지만 모든 대안을 배제한 것은 아니며, 논문은 이 결과를 확인이 아닌 증거로 제시한다.

그리고 명칭 문제가 있다. 외계 위성에 대한 공식적으로 인정된 정의는 없으며, 저자들은 이 천체가 언젠가 등장할 기준을 충족할지 불확실하다고 지적한다. “아마도 우리는 태양계를 설명하기 위해 만들어진 언어의 한계에 다다르고 있는지도 모릅니다. 태양계는 CD-35 2722와 전혀 다르니까요,”라고 논문은 적고 있다.

첫 번째 외계 위성에 관한 일반적인 질문들

외계 위성(exomoon)이란 무엇인가?

외계 위성은 태양계 밖에서 행성이나 다른 천체를 공전하는 자연 위성이다. 공식적으로 인정된 정의는 없으며, 그래서 CD-35 2722 발견 팀은 더 넓은 용어인 외계 위성체(exosatellite)를 사용한다.

외계 위성이 확인된 적이 있는가?

확실하게 확인된 적은 없다. 케플러-1625b 주변의 후보를 포함한 이전 후보들은 여전히 논쟁 중이다. CD-35 2722 B 갈색왜성을 도는 이 천체는 발견자들에 의해 첫 번째 그럴듯한 외계 위성체 탐지로 설명되며, 아직 독립적인 확인을 기다리고 있다.

갈색왜성이란 무엇인가?

갈색왜성은 행성보다 무겁지만 진짜 별처럼 중심에서 수소 융합을 유지하기에는 너무 가벼운 천체이다. 대부분 목성 질량의 약 13배에서 80배 사이의 질량을 가진다. 특히 젊을 때 적외선으로 희미하게 빛나며, 수십억 년에 걸쳐 서서히 식는다.

천문학자들은 볼 수 없는 달을 어떻게 탐지하는가?

중력을 통해서이다. 위성의 인력이 갈색왜성을 지구 쪽으로 약간 움직이게 하고 멀어지게 하여, 스펙트럼의 선들을 이동시킨다. 수개월에 걸쳐 이러한 이동을 측정하면 궤도의 길이와 숨겨진 동반천체의 최소 질량이 드러난다.

CD-35 2722는 얼마나 멀리 있는가?

이 별은 지구에서 약 73광년 떨어진 남쪽 별자리 비둘기자리에 있다. 작은 적색왜성으로, 망원경 없이는 보기에 너무 어둡다.

다음 단계는 무엇인가

이 연구는 2026년 7월 22일 네이처(Nature)에 게재되었으며, 이번 달 새로운 보도 물결을 불러일으켰다. 이 연구는 2023년 10월부터 2026년 2월 사이에 CRIRES+로 수집된 26개의 스펙트럼을 활용하며, 그 방법은 밴더버그와 동료들이 2018년에 제안한 위성 사냥 전략을 기반으로 한다. 갈색왜성 자체는 2011년에 보고된 제미니 NICI 행성 찾기 캠페인의 직접 이미지에서 발견되었다. 다음 도약은 아타카마 사막에 건설 중인 ESO의 초거대망원경(ELT)에 달려 있다. ESO는 39미터 주경을 통해 천문학자들이 우리 태양계의 달과 훨씬 더 닮은 더 작은 외계 위성을 탐지할 수 있게 될 것이라고 말한다.

Reference: Hoy et al., “Planetary-mass exosatellite detected around the substellar companion of a star,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10751-w

태그: 천문학, ESO, Very Large Telescope, 갈색왜성, CD-35 2722, 외계 위성