지구에서 두 번째로 가까운 항성계인 바너드 별(Barnard's Star)의 주위를 도는 작은 행성이 하나가 아니라 네 개가 있다는 새로운 증거가 발견됐다.

오랫동안 태양계 너머의 행성에 대한 연구자들의 깊은 관심을 받아온 바너드 별은 지구에서 약 6광년 거리에 위치하며, 하늘에서 빠른 움직임으로 유명하다. 천문학자들은 바너드 별이 행성계를 형성하는 과정에 대한 중요한 단서를 제공할 행성을 거느리고 있을지에 대해 오랫동안 궁금해했다.

미국 시카고대학교 천문학자들의 관측 결과에 따르면 바너드 별 주위를 공전하는 4개의 작은 행성이 존재할 가능성이 제기됐다. 

시카고대학 측에 따르면 각 행성은 지구 질량의 20~30%에 불과하며, 단 며칠 만에 별을 한 바퀴 공전하는 것으로 추정된다.

이번 발견은 작고 희미한 행성을 탐지하는 기술의 정밀도가 크게 향상되었음을 시사하며, 많은 이들의 주목을 받고 있다. 

미국 시카고 대학의 박사 과정 학생이자 이번 연구의 제1 저자인 리트빅 바산트(Ritvik Basant)는 "바너드 별은 우리Cosmic Neighbor이지만, 아직 알려진 것이 너무나 적다. 이번 발견은 이전 세대 관측 장비로는 상상할 수 없었던 정밀도를 가진 새로운 장비의 획기적인 발전을 알리는 신호탄이다"라고 강조했다.

바너드 별이 전설같은 존재가 된 이유는?

바너드 별은 1916년 시카고대학교 부설 여키스(Yerkes) 천문대의 천문학자 E. E. 바너드(E. E. Barnard)에 의해 처음 세상에 알려졌다. 바너드가 이 별의 빠른 고유 운동을 처음 발견해 그의 이름이 붙었다. 

이후 과학자들은 꾸준히 바너드 별을 주시해 왔다. 행성이 존재한다는 주장이 반복적으로 제기되었지만 번번이 실망으로 끝났기에, 바너드 별은 행성 사냥꾼들 사이에서 '거대한 흰 고래(great white whale)'라는 별칭으로 불리기도 했다. 

과거에는 낮은 감도의 장비로 인해 때때로 모순적인 신호가 발생했다. 이것이 바로 바너드 별이 행성 사냥꾼들 사이에서 전설과 같은 존재가 된 이유 중 하나다. 그들은 때때로 행성 존재의 증거를 포착했다고 생각했지만, 결국에는 결과가 불확실하다는 것을 깨달았다.

전문가들은 바너드 별이 태양 다음으로 가장 가까운 단일 별 시스템이라는 점에 주목했다. 반면, 가장 가까운 전체 항성계인 프록시마 센타우리(Proxima Centauri)는 중력에 묶인 세 개의 별로 이루어져 있다. 다중 별 시스템은 행성 형성 과정을 복잡하게 만들 수 있기 때문에, 단일 별 시스템인 바너드 별은 잠재적인 행성이 존재할 수 있는 다른 환경을 제공할 것으로 예상된다.

MAROON-X를 이용한 행성 탐색

천문학자들은 밝은 별 옆에 붙어 있는 작은 행성을 직접 관측할 수 없다. 대신, 각 행성이 별에 미치는 미세한 중력의 영향을 추적한다. 하와이 제미니(Gemini) 천문대에 설치된 MAROON-X라는 특수 장비는 별빛 신호에서 발생하는 희미한 흔들림을 감지할 수 있다. 

연구팀은 MAROON-X를 사용해 바너드 별 주위에서 3개의 행성을 발견했다. 네 번째 행성은 MAROON-X 관측 데이터와 칠레에 있는 ESPRESSO 장비의 이전 관측 데이터를 결합하는 과정에서 추가로 확인됐다.

바산트 연구원은 "우리는 밤 시간대를 달리하여, 또 날짜를 달리하여 관측했다. (제미니천문대가 있는) 칠레와 하와이, 저희 연구팀은 서로 협력하지 않았다. 이것은 데이터에 유령(그동안 바너드 별에서 확실한 행성이 발견되지 않아서 전설적인 존재처럼 여겨졌기 때문에 유령이라는 말을 사용함)이 존재하지 않는다는 것을 확신시켜 준다"고 말했다.

바너드 별 행성의 특징

과학자들은 이번에 발견된 행성들이 작은 암석 행성일 것으로 추정하지만, 정확한 구성 성분을 확인하는 것은 어려운 상황이다. 지구에서 바라보는 각도 때문에 행성들이 별 앞을 통과하는 현상이 관측되지 않아, 암석 또는 가스 행성 여부를 식별하는 일반적인 방법은 적용할 수 없다.

하지만 이 행성들의 궤도는 별과 너무 가까워 생명체가 살기에 적합한 환경은 아닐 가능성이 높다. 시카고 대학의 제이콥 빈(Jacob Bean) 교수는 "12월 말, 이 데이터를 정말 집중적으로 분석하면서 온통 그 생각뿐이었다. 마치 우주에 대해 다른 사람은 모르는 것을 우리만 갑자기 알게 된 기분이었다. 이 비밀을 어서 빨리 세상에 알리고 싶었다"고 당시의 흥분을 전했다.

빈 교수는 "우리가 하는 연구는 점진적인 경우가 많아서, 때로는 큰 그림을 보기 어려울 때도 있다. 하지만 우리는 인류가 영원히 알게 될 무언가를 발견했다. 그 발견의 희열은 정말 엄청나다"라며 이번 연구의 의의를 강조했다.

"추가 탐사 통해 생명체 거주 가능 조건 밝히고 싶어"

바너드 별의 4개 행성은 시선 속도(radial velocity) 도구로 확인된 가장 작은 천체 중 하나다. 지금까지 발견된 대부분의 암석 외계 행성은 지구보다 큰 경향을 보이며, 그 패턴은 은하수 전체에서 일관되게 나타난다. 천문학자들은 더 작은 행성들이 어떻게 형성되는지에 대한 힌트를 얻기 위해, 더 작은 행성들이 다양한 구성 성분을 보이는지 확인하고자 한다.

우주에 풍부하게 존재하는 M형 왜성은 강력한 자기 활동으로 알려져 있으며, 이는 행성 발달에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 과정을 이해하는 것은 어떤 별이 안정적인 표면을 가진 행성을 거느릴 가능성이 높은지 파악하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다. 일부 과학자들은 이러한 통찰력이 생명체 탐색을 위한 미래 연구 방향을 제시해 줄 것으로 기대하고 있지만, 바너드 별 행성들은 항성과의 거리가 너무 가까워 생명체가 살기에는 매우 뜨거운 환경일 것으로 예상된다.

연구진은 앞으로 더 온화한 영역에 있는 행성을 찾기 위해 기술을 계속 개선해 나갈 예정이다. 관측 장비의 발전은 새로운 놀라운 발견으로 이어질 가능성을 높여준다. 추가적인 탐사를 통해 작은 행성이 차가운 별 주위에서 더 흔하게 형성되는지, 또는 생명체 거주 가능 조건이 예상치 못한 방식으로 달라지는지 등을 밝혀낼 수 있을 것이다. 망원경 성능이 향상될수록 놀라운 발견을 할 가능성은 점점 더 커지고 있다.

본 연구는 제미니 천문대/국립과학재단(NOIRLab), 하이델베르크대학, 암스테르담대학의 과학자들이 참여했으며, 연구 결과는 지난 3월 11일 '행성 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters)'에 게재됐다.