적색왜성 주위를 거꾸로 도는 행성 GJ 3090 b, 탓할 거대 천체가 없다

지구로부터 72광년 떨어진 행성이 자신의 별을 거꾸로 돌고 있다. GJ 3090 b, 지구 지름의 약 두 배가 조금 넘는 이 행성은 적색왜성 주위를 별이 자전하는 방향과 반대 방향으로 공전하며, 행성이 있어야 할 평면에서 약 136도 기울어져 있다. 이는 은하에서 가장 흔한 별인 적색왜성 주위를 거꾸로 도는 최초의 행성이다.

거꾸로 도는 행성은 드물지만 새로운 것은 아니다. 여러 행성을 가진 계에서 이렇게 심하게 기울어진 궤도가 발견된 모든 이전 사례에서 천문학자들은 범인을 지목할 수 있었다: 쌍성 동반성 또는 거대한 외행성의 중력이 수백만 년에 걸쳐 이웃 행성을 궤도 밖으로 끌어낸 것이다. GJ 3090 주위에는 그런 괴롭힘이 없다. 그 부재가 진짜 뉴스인 이유는 이 행성이 이미 잘못된 방향으로 회전하고 있던 가스와 먼지 원반에서 태어났을 가능성을 시사하기 때문이다.

“우리는 큰 충격을 받았습니다. GJ 3090 b가 매우 기울어진 궤도를 가질 뿐만 아니라 역행 궤도를 돌고 있다는 사실이요,”라고 제네바 대학의 박사 과정 학생이자 Astronomy & Astrophysics에 게재된 연구의 제1저자인 얀 카르트레(Yann Carteret)가 말했다.

이 행성은 해왕성보다 작은 서브넵튠으로, 지구 반지름의 약 2.2배, 질량의 4.5배이며 약 2.9일에 한 번 공전한다. 모성은 남쪽 별자리 불사조자리에 있는 M형 적색왜성으로 태양보다 작고 차갑다. 이 계에는 적어도 하나의 행성이 더 있으며, 16일 주기로 공전하는 확인된 서브넵튠과 13일 주기의 후보 행성이 하나 있다.

잘못된 방향으로 가는 행성을 잡아낸 방법

아무도 궤도를 직접 촬영할 수 없다. 연구팀은 대신 로시터-맥러플린 효과라고 알려진 방법을 사용하여 별빛을 분석했다. 자전하는 별은 한쪽이 우리 쪽으로, 다른 쪽이 반대쪽으로 돌아가므로 첫 번째 절반의 빛은 약간 파란색으로, 두 번째 절반의 빛은 빨간색으로 이동한다. 행성이 별의 앞면을 가로지를 때, 한쪽 절반과 다른 쪽 절반의 일부를 차례로 가린다. 그 순서가 이동 방향을 알려준다.

정상 방향으로 가는 행성의 경우 접근하는 절반이 먼저 가려진다. GJ 3090 b는 반대 순서로 가린다.

신호는 매우 작다. 여기서 행성이 별 앞을 지나는 통과 현상은 약 1시간 15분 동안 지속되며, 행성은 작고 별은 천천히 자전한다. 연구팀은 제네바 대학과 몬트리올 대학이 주도한 컨소시엄이 제작한 NIRPS, 칠레 라 실라에 있는 유럽남방천문대의 3.6미터 망원경에 장착된 근적외선 분광기를 사용했다. 적색왜성은 가시광선보다 적외선에서 훨씬 밝게 빛나므로, 적외선 기기가 가시광선 기기가 어려워하는 작업을 수행할 수 있었다.

연구자들은 NIRPS로 6번의 통과 현상을 관측했으며, 그중 4번은 더 오래된 HARPS 분광기와 동시에 관측하여 약 23시간 동안 193개의 스펙트럼을 수집했다. 별의 전체 속도에서 고전적인 흔들림을 찾는 대신, 너무 희미하여 감지할 수 없었기에 RM Revolutions이라는 방법을 사용하여 각 순간 행성 뒤에 숨겨진 별의 정확한 부분에서 오는 빛을 분석했다. GJ 3090 b는 이제 완전한 3차원 기울기 측정이 이루어진 적색왜성 주위 행성 중 가장 작은 행성이다.

136도의 위치

태양계에서는 행성들이 태양 적도에서 약 7도 이내로 공전하며, 모두 태양이 자전하는 방향과 같은 방향으로 간다. 90도는 극궤도를 의미하며 별의 극 위를 지나간다. 90도 이상이면 역행이다. 136도에서 GJ 3090 b는 옆으로 기울어진 것보다 완전히 뒤집힌 것에 더 가깝다.

이는 천문학자들이 3차원 측정을 수행한 행성 중 가장 기울어진 행성들 중 하나로, 두 개의 가스 행성인 KELT-19 b와 TOI-1710 b와 함께 있다. 또한 70도 이상 기울어진 행성을 포함하는 여섯 번째 확인된 다행성계이기도 하다. 다른 다섯 개에서는 연구팀이 언급했듯이 항상 넓은 쌍성 동반성이나 피해를 입힐 수 있는 거대한 외행성이 존재한다.

적색왜성은 이 결과를 더욱 특이하게 만든다. 깊고 요동치는 외부 층이 가까운 행성에 강한 조석력을 발휘하여 기울어진 궤도를 점차 정렬시킬 것으로 생각된다. GJ 3090 b는 그 교정을 피한 것으로 보이며, 가장 가능성 있는 이유는 작고 별 반지름의 약 13배 거리, 즉 조석력이 약하게 유지되기에 충분히 멀리 떨어져 있기 때문이다.

사라진 범인과 재활용 원반

연구팀은 숨겨진 교란자를 찾아 나섰다. HARPS와 NIRPS의 수년간 시선 속도 데이터, 고해상도 스페클 이미징, 가이아 우주 망원경의 측정을 결합하여 약 3천문단위 내의 동반성과 GJ 3090 b와 같은 평면에서 공전한다는 가정 하에 15천문단위 내의 목성보다 무거운 행성을 배제했다. 같은 가정 하에 갈색왜성으로 분류되는 한계인 13 목성 질량보다 무거운 물체는 100천문단위까지 배제된다.

“이 특이한 궤도를 설명할 거대한 동반체의 부재는 우리를 다른 가설을 탐구하도록 이끌 것입니다,”라고 제네바 대학의 공동 저자 뱅상 부리에(Vincent Bourrier)가 말했다.

그들이 선호하는 설명은 2세대 원반이다. 별의 원래 원반이 사라진 후, 젊은 적색왜성이 성간 공간에서 신선한 가스와 먼지를 흡입했을 수 있다. 그 물질은 무작위 방향으로 도착할 것이며, 이 경우 별의 자전과 반대 방향으로 회전하며 도착했다. 그러면 행성들은 이 기울어진 원반 내에서 형성되어 함께 안쪽으로 이동했을 것이다. 저자들은 이 아이디어를 소위 피터팬 원반, 즉 모델이 예상하는 것보다 훨씬 오래 수천만 년 동안 별에 물질을 공급하는 적색왜성 원반과 연결한다.

그들의 계산은 제약 조건을 추가한다. 별이 새로운 원반과 정렬되지 않으려면 약 1,500 지구 질량 미만의 물질을 삼켰을 것이며, 이는 표준 비율로 약 15 지구 질량의 먼지에 해당한다. 행성들만으로도 그 중 큰 부분을 차지하므로, 원반의 먼지 대부분은 별에 떨어지기보다 행성으로 끝났을 것이다.

해결하지 못한 점

136도 값은 약 118도에서 160도까지 넓은 오차 범위를 가진다. 연구팀은 극궤도를 2.5 시그마 수준에서 배제했는데, 이는 의미 있는 결과이지만 물리학자들이 발견을 위해 사용하는 5 시그마 기준에는 크게 미치지 못한다. 완전한 3차원 기울기는 또한 통과 데이터뿐만 아니라 별의 자전 주기, 반지름 및 기울기 추정치에 의존한다.

최종 적합은 단일 기기의 5박 관측에 기반한다. 신호가 좋지 않은 한 번의 NIRPS 통과는 제외되었고, HARPS 데이터는 각도를 제한하기에는 너무 약했으므로 두 번째 기기가 방향을 독립적으로 확인하지 못했다.

동반체 탐색에는 저자들이 명확히 밝힌 허점이 있다. 그들의 한계는 숨은 거대 행성이 GJ 3090 b와 같은 평면에서 공전한다고 가정한다. 급경사 궤도를 가진 거대 천체는 완전히 배제되지 않는다. 2세대 원반 시나리오는 관측된 것이 아니라 결핍에서 추론한 것이다.

거꾸로 도는 행성에 대한 흔한 질문들

역행 행성이란 무엇인가?

역행 행성은 별의 자전 방향과 반대 방향으로 별을 공전하는 행성이다. 행성은 별에 물질을 공급하는 동일한 회전 원반에서 형성되므로 일반적으로 방향을 공유한다. 역행 궤도는 어떤 것이 행성이나 그 탄생 원반을 90도 이상 기울였음을 의미한다.

천문학자들은 행성이 어느 방향으로 공전하는지 어떻게 알 수 있나?

행성이 별 앞을 가로지르는 것을 관찰하고 별빛의 색이 어떻게 변하는지 측정한다. 자전하는 별의 한쪽은 우리 쪽으로 접근하고 다른 쪽은 멀어지기 때문에 행성이 각 면을 차단하는 순서가 이동 방향을 보여준다. 이것이 로시터-맥러플린 효과이다.

태양계에서 거꾸로 도는 천체가 있나?

태양을 거꾸로 공전하는 행성은 없으며, 여덟 행성 모두 태양 적도 가까이에 머문다. 일부 위성은 그렇다: 해왕성의 가장 큰 위성인 트리톤은 행성의 자전 방향과 반대 방향으로 공전하며 포획된 천체로 생각된다. 금성은 축을 중심으로 거꾸로 자전하지만 궤도는 정상 방향이다.

GJ 3090 b가 생명체를 지탱할 수 있을까?

이 연구는 생명체에 대해 아무것도 언급하지 않는다. 이 행성은 수성보다 태양에 훨씬 더 가까운 3일 이내에 별을 공전한다. 약 4.5 지구 질량과 2.2 지구 반지름으로 서브넵튠이며, 이 유형은 보통 노출된 암석 표면보다 두꺼운 가스 외피를 가지고 있는 것으로 생각된다.

이 행성은 NASA의 TESS 우주 망원경에 의해 처음 발견되어 2022년에 확인되었다. 새로운 측정의 기반이 된 NIRPS 통과 관측은 2024년에 기록되었으며, 논문은 2026년 8월 Astronomy & Astrophysics에 채택되어 9월에 게재되었다. 저자들의 시나리오는 검증 가능한 예측을 만든다: 계의 모든 행성이 같은 기울어진 원반에서 형성되었다면, GJ 3090 b의 형제들은 그 역행 기울기를 공유해야 한다. 다음 단계는 그들의 궤도도 측정하는 것인데, 16일 행성은 우리 시점에서 별을 가로지르지 않기 때문에 어려울 것이다.

참고문헌: Carteret et al., “Upside down: GJ 3090 b the first retrograde exoplanet around an M dwarf detected with NIRPS,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202661989

태그: ESO, GJ 3090 b, La Silla Observatory, NIRPS, red dwarf, 역행 궤도