TESS가 지켜보는 사이 시야에서 사라진 최초의 ‘사라지는 행성’

NASA의 TESS 우주 망원경이 여러 차례에 걸쳐 별의 앞을 가로지르는 모습을 지켜보던 거대 행성이 더 이상 별을 가로지르지 않게 되었다. 행성의 경로가 별의 가장자리로 미끄러지면서 각 통과 현상은 점점 짧아지고 얕아졌으며, 마침내 별빛의 특징적인 감소가 전혀 나타나지 않았다. 이 행성은 파괴되거나 삼켜진 것이 아니다. 궤도가 기울어지고 있으며, 천문학자들은 그 궤도가 지구와의 정렬에서 벗어나는 순간을 포착했다.

UCLA가 이끄는 연구팀이 The Astrophysical Journal Letters에 발표한 바에 따르면, 이는 단일 항성 주위에서 통과 현상이 사라지는 것이 확인된 최초의 행성이다. 범인으로 지목되는 것은 아직 직접 관측되지 않은 두 번째 거대 행성이다. 이 행성의 기울어진 궤도가 이웃 행성을 끌어당기며 두 궤도를 팽이처럼 흔들리게 만든다. 천문학자들은 보통 이런 변화를 수세기에 걸쳐 추론하지만, 여기서는 단일 우주 임무 기간 내에 일어났다.

사라진 행성은 TOI-2535 b로, 뜨거운 목성(hot Jupiter)이다. 이 가스 거대 행성은 목성 지름의 약 0.84배 크기로, 약 1,000광년 떨어진 늙은 주황색 왜성을 가까이 돌고 있다. 공전 주기는 약 8.2일로, 수성이 태양을 도는 속도보다 약 10배 빠르다. 수백 개의 뜨거운 목성이 알려져 있지만, 이 행성은 통과 시점이 최대 6시간 일찍 또는 늦게 나타나 눈에 띄었다. 이는 계 내의 다른 무언가가 이 행성을 끌어당기고 있다는 신호다.

“이것은 두 행성이 매우 강하게 상호작용하고 있기 때문에 우리가 본 것 중 가장 극단적인 사례입니다,”라고 UCLA의 51 Pegasi b 박사후연구원이자 논문의 교신저자인 사무엘 이(Samuel Yee)가 말했다. “행성의 궤도가 너무 빨리 기울어져서 우리가 지켜보는 동안 통과 현상이 사라졌습니다.”

TESS가 행성이 시야에서 사라지는 순간을 어떻게 포착했나

통과 현상은 행성의 궤도가 우리의 시선과 거의 정확히 일치할 때만 발생하며, 행성이 별과 지구 사이를 지나면서 빛의 일부를 차단한다. TESS는 수백만 개의 별에서 이러한 빛의 조각을 찾는다. TESS는 7년에 걸쳐 다섯 번의 별도 관측 기간 동안 TOI-2535를 다시 관측했으며, 크로아티아, 칠레, 스위스, 호주의 소형 천문대를 포함한 지상 망원경들이 그 사이의 통과 현상을 보완했다.

연구팀은 각 통과 현상에 대해 두 가지를 측정했다. 하나는 시각으로, 2~3분 이내의 정밀도로 측정하여 완벽하게 규칙적인 궤도가 유지할 일정과 비교했다. 다른 하나는 형태였다. 별의 중앙을 가로지르는 경로는 길고 깊은 감소를 보이는 반면, 가장자리 근처를 지나는 경로는 짧고 얕은 스치는 통과를 보인다. 천문학자들은 그 교차선을 충돌 매개변수(impact parameter)라고 부르며, TOI-2535 b의 경우 관측 기간이 지남에 따라 꾸준히 증가했다.

재구성된 결과, 행성의 경로는 별의 표면 절반 이상을 가로질러 별의 적도를 지나 가장자리로 이동한 것으로 보인다. 최신 TESS 데이터에서는 행성이 나타나야 할 시간대 어디에서도 통과 현상이 없었으며, 6시간의 시각 변동을 고려해도 마찬가지였다. 이 빈 결과를 테스트하기 위해 연구팀은 데이터에 가짜 통과 현상을 심었다. 가장자리를 간신히 스치는 행성의 경우에도 약 절반의 확률로 복구되었을 것이다.

애리조나주 키트피크에 있는 WIYN 3.5미터 망원경의 NEID 분광기로 측정한 별의 앞뒤 흔들림은 통과 궤도에 있는 행성이 대략 목성 질량임을 가리킨다. 또한 이 측정값에는 단일 행성으로는 설명할 수 없는 추가적인 산란이 포함되어 있다.

아무도 본 적 없는 이웃

저자들은 시각 변동과 줄어드는 통과 현상을 함께 모델링했다. 두 현상 모두 TOI-2535 b의 궤도에 대해 최소 5도 기울어진 궤도를 가진 가까운 동반 행성에 부합한다. 두 궤도가 그렇게 기울어지면, 그 평면은 팽이의 축이 원을 그리듯 천천히 회전하며, 통과 행성의 경로는 별의 표면을 가로질러 표류한다.

숨겨진 동반 행성은 아마도 토성 이상의 질량을 가졌을 것이다. 또한 공명 상태 또는 그 근처에 있는 것으로 보이며, 이는 두 궤도 주기가 단순한 비율을 이룬다는 것을 의미한다. 가장 잘 맞는 해는 2:1과 3:2 비율 주변에 모여 있지만, 3:1과 4:1도 가능하다. 이는 이 계를 두 가지 측면에서 특이하게 만든다. 뜨거운 목성은 가까운 이웃을 거의 가지지 않으며, 설령 있다 해도 그 이웃은 거의 항상 작은 행성이지 두 번째 거대 행성이 아니다.

공동 저자인 에릭 페티구라(Erik Petigura)는 이 효과를 식(蝕)에 비유했다. “달의 지구 궤도가 지구의 태양 궤도와 완벽하게 정렬되어 있다면 매달 식을 볼 수 있을 것입니다,”라고 그는 말했다. “하지만 달의 궤도가 기울어져 있기 때문에 식은 덜 자주 발생합니다.”

지금까지 관측된 어떤 행성 기울기보다 빠르다

다른 행성들도 통과 현상이 변화하는 것이 포착되었지만, 더 느리게 진행되었다. TOI-216 b와 K2-146 c는 각각 4.5년과 3년에 걸쳐 스치는 통과에서 완전 통과로 바뀌었으며, TOI-4504 계의 한 행성은 천문학자들이 처음 관측한 지 3년 후에 통과를 시작했다. TOI-4504와 TOI-216의 궤도면은 약 250년과 150년 주기로 회전한다. TOI-2535에 적용되는 모델은 수십 년 주기를 가리킨다.

이 행성의 6시간 시각 변동은 공전 주기의 약 3%로, 단주기 거대 행성 중 지금까지 관측된 것 중 가장 큰 것 중 하나이다. 이러한 변화는 드물다. NASA의 케플러 임무에서 561개 계를 조사한 결과, 통과 지속 시간에 상당한 장기 변화가 있는 계는 15개뿐이었다. 또한 조밀한 다행성 계는 궤도가 1~2도 이내로 정렬되어 평평한 경향이 있다.

이전에도 사라지는 현상에 대한 한 가지 힌트가 있었다. KOI-120.01이라는 케플러 후보 행성은 그 임무 중에 희미해지며 사라졌지만, 그 계에는 최소 두 개의 별이 있으며, 신호는 행성이 아닌 한 쌍의 식쌍성에서 나온 것일 수 있다. TOI-2535 b는 더 명확한 사례다. 확실히 실재하며 여전히 존재하지만, 단순히 더 이상 우리와 정렬되지 않은 행성이다.

사라짐이 해결하지 못한 것

이웃 행성의 정체가 가장 큰 미제다. 데이터에 고유하게 맞는 단일 해는 없으므로, 그 질량, 공전 주기, 그리고 뜨거운 목성 안쪽인지 바깥쪽인지도 알려지지 않았다. 약 60도까지의 매우 가파른 기울기를 가진 일부 구성은 짧은 기간 동안 데이터와 일치했지만, 긴 시뮬레이션에서는 무너지는 경향이 있어 더 완만한 기울기가 유리하다.

5도의 최소 기울기도 그 보이지 않는 행성에 달려 있다. 확인된다면, TOI-2535는 이렇게 정렬이 어긋난 궤도를 가진 소수의 조밀한 계 목록에 추가될 것이다. 모항성 자체도 수수께끼를 제기한다. 태양 질량의 약 0.86배인 늙은 주황색 왜성으로, 우리 은하의 두꺼운 원반에 속할 가능성이 매우 높을 정도로 빠르게 움직이지만, 나이를 확정하려면 화학 성분 측정이 필요하다.

그다음은 형성 문제다. 이렇게 가까운 거대 동반자를 가진 뜨거운 목성은 대부분의 뜨거운 목성을 만드는 경로로 여겨지는 늘어난 궤도를 통해 안쪽으로 던져질 수 없었다. 젊은 별 주변의 가스 원반을 통해 천천히 안쪽으로 표류하는 것은 공명을 설명하지만, 그 원반은 또한 궤도를 평평하게 만들었을 것이다. 이후에 무언가가 궤도를 기울였을 것이며, 논문은 하나를 선택하지 않고 후보 메커니즘을 나열한다.

“TOI-2535 b는 가까운 이웃이 있기 때문에, 안쪽으로 던져지는 대신 천천히 나선형으로 안쪽으로 이동했을 가능성이 높습니다,”라고 사무엘 이가 말했다. “우리는 자주 일어나지 않지만 매우 흥미로운 형성 경로를 보고 있는 것일 수도 있습니다.”

독자들이 사라지는 행성에 대해 묻는 질문

사라지는 행성이란 무엇인가?

별을 가로지를 때 발생시키는 별빛의 작은 감소인 통과 현상이 더 이상 일어나지 않는 행성이다. TOI-2535 b는 단일 항성 주위에서 확인된 첫 번째 사례다. 행성은 여전히 존재하며, 궤도가 기울어져 더 이상 별과 지구 사이를 지나지 않는다.

TOI-2535 b는 왜 통과를 멈추었는가?

기울어진 궤도를 가진 숨겨진 이웃 행성의 중력이 두 궤도를 세차 운동하게 하거나, 흔들리는 팽이처럼 회전하게 만든다. 7년간의 TESS 관측 동안 행성의 경로는 별의 표면을 가로지르다가 가장자리로, 그리고 그 밖으로 미끄러졌다.

TOI-2535 b가 다시 통과할 것인가?

그렇다, 하지만 곧은 아니다. UCLA 연구팀은 이 행성이 30~50년 후에 다시 별을 가로지를 것으로 예상한다. 숨겨진 이웃 행성은 자체 기울어진 궤도가 먼저 지구와 정렬된다면 더 일찍 시야에 들어올 수 있다.

향후 전망

TESS는 2019년 4월부터 2026년 3월까지 이 계를 관측했으며, 마지막 3월 관측 기간에는 통과 현상이 없었다. 이 연구는 2026년 11월 9일에 발표되었다. 연구팀은 TESS 데이터의 처음 4년만으로는 줄어드는 통과 현상을 확실히 감지할 수 없었을 것이며, TESS의 관측 기간이 길어짐에 따라 이와 같은 계가 더 많이 발견될 것이라고 지적한다. 이웃 행성을 식별하려면 별의 흔들림에 대한 더 조밀한 샘플링 측정이 필요하다. 행성 자체는 30~50년 동안 다시 별을 가로지르지 않을 것이므로, 숨겨진 동반자가 다음으로 누군가가 보게 될 대상일 수 있다.

참고문헌: Yee et al., “A TESS Disappearing Act: The Vanishing Transits of TOI-2535 b,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb4a4

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