1999년 허블 데이터가 가리킨 행성, 별이 죽은 뒤에 태어났다

별의 원래 행성들이 탄생한 지 한참 뒤, 죽어가는 별의 잔해에서 행성이 형성됐을 가능성이 제기됐다. 그 증거는 누구도 정체를 파악하지 못한 스펙트럼선 묶음으로 허블우주망원경 기록보관소에 4반세기 넘게 묻혀 있었지만, 한 박사과정 학생이 이를 나이오븀과 대조하면서 마침내 해독됐다.

그 금속이 이 정도 양으로 존재해서는 안 된다. 이는 별이 마지막 거성 단계에서 방출한 가스로 스스로 형성된 목성 크기의 가스 행성을 가리킨다. 지구를 포함해 우리가 아는 모든 행성은 별이 탄생할 때 남은 물질에서 형성됐다. 반면 이 행성은 죽음이 남긴 물질에서 만들어진 셈이며, 이는 별이 죽는다고 해서 그 별의 행성사가 반드시 끝나는 것은 아니라는 뜻이 된다.

문제의 별은 지구에서 약 270광년 떨어진 백색왜성 HS 0209+0832다. 백색왜성은 태양과 비슷한 별이 연료를 소진하고 외층을 우주로 날려 보낸 뒤 남은 노출된 핵이다. 영국 워릭대학교의 박사과정 연구자 제이미 윌리엄스(Jamie Williams)가 이끈 연구팀은 Nature Astronomy에 발표한 논문에서, 이 백색왜성이 태양계에서는 볼 수 없는 물질을 삼키고 있다고 보고했다.

윌리엄스는 ESA/Hubble 보도자료에서 “백색왜성 단계는 별과 그 행성들의 이야기에서 일종의 에필로그가 아니라, 우리가 익숙하게 아는 계들이 훨씬 더 길어질 수 있는 이야기의 첫 장에 불과하며 그 과정에서 새로운 등장인물들이 나타날 수 있음을 이 연구는 시사한다”고 말했다.

27년 된 스펙트럼이 미제 사건을 풀어낸 과정

허블이 처음 HS 0209+0832를 관측했을 때, 분광기는 별의 자외선을 여러 파장으로 이뤄진 무지개처럼 분리했다. 별 대기의 원자들은 특정 파장에서 빛을 흡수하기 때문에, 각 원소는 고유한 어두운 선의 패턴을 남긴다. 이 선들 가운데 약 100개는 당시 천문학자들이 사용하던 원자 목록의 어느 항목과도 맞지 않았다.

윌리엄스는 갱신된 원자 전이 데이터베이스를 들고 기록보관소 자료를 다시 살펴봤고, 나이오븀이 수수께끼의 선들 다수를 설명한다는 사실을 발견했다. 그는 “허블이 이 백색왜성 계에서 보여주는 것은 우리가 이전에 본 적 없는 현상이다. 바로 나이오븀 원소가 매우 풍부하다는 점인데, 기록보관소 자료에서 처음 이를 발견했을 때 나는 그 특성을 알지 못했다”고 말했다.

연구팀은 이어 두 번째 독립 기록을 확인했다. 현재 퇴역한 NASA의 FUSE 자외선 위성 역시 이 별을 관측했으며, 그 스펙트럼에서도 동일하게 강한 나이오븀 신호가 나타났다. 더 최근의 허블 스펙트럼은 나머지 화학 조성을 채워줬다. 백색왜성 대기에는 철보다 무거운 원소인 아연, 구리, 나이오븀이 풍부한 반면, 암석 행성의 근간을 이루는 규소와 철은 고갈돼 있었다.

마지막 단서는 NASA의 TESS에서 나왔다. 이 위성은 별 밝기가 미세하게 떨어지는 현상을 관측해 행성을 찾도록 설계됐다. TESS는 4개월에 걸쳐 이 백색왜성의 밝기가 4.399일 주기로 약 0.12%씩 밝아졌다 어두워진다는 사실을 포착했다. 연구팀은 이 리듬을 별에서 약 600만 킬로미터 떨어진 좁은 궤도를 도는 행성의 신호로 해석한다. 이는 수성이 태양에서 떨어진 거리의 대략 10분의 1이다.

나이오븀이 별의 탄생이 아닌 죽음을 가리키는 이유

‘오염된’ 대기를 지닌 일반적인 백색왜성은 흔하다. 별에 따라 수일에서 수백만 년 안에 시야 아래로 가라앉아야 할 금속이 약 4분의 1에서 절반의 백색왜성에서 관측되며, 통상적인 설명은 이들이 부서진 소행성이나 행성을 먹어 치우고 있다는 것이다. 지금까지 그 잔해의 화학 조성은 철, 규소, 마그네슘, 산소가 풍부한 우리 태양계 천체와 매우 닮아 있었다.

HS 0209+0832는 이 패턴을 깬다. 철보다 무거운 원소들은 별이 생애 대부분 동안 에너지를 내는 핵융합으로 만들어지지 않는다. 나이오븀을 비롯한 그중 다수는 태양과 비슷한 별의 마지막 거성 단계에 깊은 내부에서 진행되는 느린 중성자 포획 과정으로 만들어지고, 이후 표면으로 끌어올려져 방출된다. 연구팀의 일원인 위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스의 이론천체물리학자 니컬러스 스톤(Nicholas Stone)은 “나이오븀과 다른 철보다 무거운 원소들은 천문학적으로 특별하다. 많은 흔한 원소와 달리, 이들은 별의 중심부에서 열핵융합으로 형성되지 않기 때문”이라고 말했다.

따라서 별로 떨어지는 물질에는 별 자신이 죽어가며 방출한 가스의 지문이 담겨 있다. 연구팀의 시나리오는 방출된 가스 일부가 새로운 가스 거대행성으로 뭉치는 동안 나머지는 흩어졌다는 것이다. 이 백색왜성은 여전히 약 3만5,000도에 이르는 젊고 매우 뜨거운 천체이며, 그 복사가 행성의 대기를 끓여 날려 보내고 있다. 빠져나가는 가스는 혜성 꼬리처럼 행성 뒤로 이어지고, 원반에 가라앉은 뒤 별 위로 비처럼 쏟아질 것이다. 바로 허블이 관측하는 위치다.

워릭대 천문학자이자 공동저자인 보리스 갠지케(Boris Gaensicke)는 “제이미가 이 연구와 관련해 나이오븀에 관해 물었을 때 정말 깜짝 놀랐다. 그 원소는 지금까지 분석된 어떤 백색왜성에서도 보고된 적이 없었기 때문이다. 그것이 այնտեղ 있다는 사실을 깨닫자 모든 것이 제자리를 찾았다”고 말했다.

죽은 별 주위의 다른 행성과 비교하면

백색왜성 주위를 도는 것으로 알려진 행성은 극히 소수다. 가장 잘 알려진 WD 1856+534 b는 목성 크기의 세계로, TESS가 1.4일마다 백색왜성 앞을 지나는 모습을 포착했다. 지구처럼 이 행성은 생존자로 여겨진다. 별과 함께 형성된 1세대 행성이 어떻게든 그 잔해 가까이까지 오게 됐다는 가정이다.

사상 최초로 확인된 외계행성들은 초신성 뒤에 남은 붕괴한 핵인 펄서를 공전하며, 유력한 설명 중 하나는 이들 역시 폭발 뒤 잔해에서 형성됐다는 것이다. 그러나 펄서 신호에서는 그 행성들이 무엇으로 이뤄졌는지 알 수 없다. HS 0209+0832의 경우 주장은 화학 조성에 근거하며, 이것이 연구팀이 이를 죽어가는 별의 분출물로 만들어진 행성에 기대되는 조성을 지닌 최초의 후보라고 설명하는 이유다.

이 비교는 미래도 내다본다. 수십억 년 뒤 태양은 적색거성으로 팽창하고 질량의 상당 부분을 잃은 뒤 백색왜성으로 자리 잡을 것이다. 그 방출 가스에서 2세대 행성이 형성될 수 있다면, 태양계의 백색왜성 시대에는 아직 존재하지 않는 세계들이 포함될 수 있다.

이 연구가 아직 결론내리지 못한 것

이 행성은 직접 관측되지 않았다. 추론은 두 줄기의 증거에 기반한다. 별로 떨어지는 가스의 이례적인 화학 조성과 4.4일 밝기 주기다. 논문은 처음부터 끝까지 이를 후보라고 부르며, TESS 신호는 둘 이상의 해석이 가능하다. 저자들이 직접 언급했듯, 시야에 들어왔다 나가는 행성의 뜨거운 낮면이 내는 빛일 수도 있고, 별 앞을 지나는 탈출 가스의 혜성 꼬리일 수도 있다.

조성에 근거한 주장은 강력하지만, 단 하나의 계에 의존한다. 가스 거대행성이 죽어가는 별의 유출물에서 어떻게 스스로 모이는지, 그런 일이 얼마나 자주 일어나는지, 또 이런 행성이 백색왜성의 복사 속에서 얼마나 오래 살아남는지를 상세히 설명하는 모형은 아직 없다. 윌리엄스는 별이 식어 행성 대기를 벗겨내는 일을 멈출 것이므로 이 행성은 아마 살아남을 것이라고 본다. 이는 관측이 아니라 전망이다.

금속의 다른 기원은 더 많은 자료로 배제해야 한다. 저자들은 대기 속 헬륨과 암석 형성 원소가 거의 없다는 점이 부서진 소행성보다는 행성에서 빠져나온 대기를 가리킨다고 주장하지만, 같은 신호를 보이는 두 번째 계가 발견된다면 어떤 단일 측정보다 훨씬 더 큰 설득력을 갖게 될 것이다.

2세대 행성에 관한 일반적인 질문

2세대 행성이란 무엇인가?

백색왜성 같은 항성 잔해 주위에서, 별이 생애 후반에 방출한 물질로 형성되는 행성이다. 지구와 태양계의 다른 행성들은 태양이 형성될 때 남은 가스와 먼지로 만들어진 1세대 행성이다.

백색왜성이란 무엇인가?

백색왜성은 태양 같은 별이 연료를 다 쓰고 외층을 방출한 뒤 남는 뜨겁고 밀도 높은 핵이다. 별 하나에 가까운 질량을 지구 정도 크기의 구 안에 담고 있으며, 수십억 년에 걸쳐 천천히 식는다.

허블은 보이지 않는 행성을 어떻게 찾을 수 있는가?

허블은 백색왜성으로 떨어지는 화학 원소를 측정했고, 그 원소들은 일반적인 암석이 아니라 죽어가는 별이 방출하는 가스와 일치했다. 별도의 위성인 TESS는 연구팀이 가까운 궤도의 행성 탓으로 보는 4.4일의 규칙적인 밝기 주기를 감지했다.

태양은 죽은 뒤 새 행성을 만들까?

아직 아무도 모른다. 태양은 수십억 년 뒤 백색왜성이 되고, 그 과정에서 질량의 큰 부분을 방출할 것이므로 원재료는 존재하게 된다. 이번 발견은 행성이 그러한 물질에서 형성될 수 있음을 시사하지만, 후보 하나만으로 그 일이 얼마나 자주 일어나는지는 말할 수 없다.

나이오븀이 중요한 이유는 무엇인가?

나이오븀은 철보다 무겁고, 별은 생애 대부분에 에너지를 공급하는 핵융합으로 이를 만들 수 없다. 그 상당량은 별의 마지막 거성 단계에 생성되므로, 백색왜성으로 떨어지는 가스에서 많은 양이 발견된다는 것은 일반적인 행성이 아니라 죽어가는 별에서 나온 물질을 가리킨다.

다음 단계

허블은 1999년에 이 별을 처음 관측했고, 새 분석 결과는 ESA/Hubble 보도자료와 함께 2026년 10월 5일 Nature Astronomy에 게재됐다. 윌리엄스는 앞으로 수년간 허블을 이용해 같은 화학 조성을 지닌 백색왜성을 더 찾을 계획이며, 이를 통해 HS 0209+0832가 단발성 사례인지 아니면 하나의 집단 가운데 첫 사례인지 확인할 수 있을 것이다. 다른 파장에서 4.4일 주기를 추가 관측하면 빛나는 행성과 지나가는 가스 꼬리를 구별하는 데도 도움이 될 수 있다.

참고문헌: Williams et al., “Discovery of a second-generation planet candidate accreting onto a white dwarf,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02983-7

태그: 천문학, 백색왜성, 외계행성, HS 0209+0832, Hubble, TESS