허블우주망원경이 지구에서 25광년 떨어진 포말하우트 항성계에서 미행성 간 대규모 충돌 현장을 직접 포착했다. 

태양계가 형성되던 초기에는 소행성과 미행성, 혜성 등이 무질서하게 충돌하며 지구와 달, 내행성들을 잇따라 강타하는 격동의 시기가 있었던 것으로 과학자들은 보고 있다. 이러한 '우주적 충돌의 시대'가 다른 항성계에서도 실제로 벌어지고 있음을 보여주는 결정적 관측 결과가 처음으로 확인됐다.

미 항공우주국(나사·NASA)은 허블우주망원경을 통해 지구에서 약 25광년 떨어진 포말하우트(Fomalhaut) 항성계에서 대규모 천체 충돌로 생성된 것으로 보이는 거대한 잔해 구름을 직접 포착했다고 18일(현지시간) 밝혔다. 외계 행성계에서 이 같은 파괴적 충돌 장면이 관측된 것은 이번이 처음이다.

연구를 주도한 미국 캘리포니아대 버클리 캠퍼스의 폴 칼라스 교수는 "외계 행성계에서 이전 관측에는 존재하지 않던 빛의 점이 갑자기 나타나는 장면을 목격한 것은 처음"이라며 "이는 두 개의 거대한 미행성이 충돌해 형성된 전례 없는 규모의 잔해 구름을 직접 본 것"이라고 설명했다.

포말하우트는 남쪽물고기자리(Piscis Austrinus) 방향에 위치한 밝은 항성으로, 태양보다 질량과 광도가 크며 여러 겹의 먼지 원반으로 둘러싸여 있다. 

2008년 허블망원경 관측을 통해 이 항성계에서는 가시광선으로 관측된 최초의 외계 행성 후보 '포말하우트 b'가 보고됐지만, 이후 연구 결과 이는 실제 행성이 아니라 미행성 충돌로 생성된 먼지 구름인 것으로 드러났다. 연구진은 이를 'cs1'으로 명명했다.

칼라스 교수 팀은 1993년 젊은 항성 포말하우트를 처음 연구하기 시작했으며, 행성(중심 별의 강한 인력의 영향으로 타원 궤도를 기리며 중심 별의 주위를 도는 천체, 스스로 빛을 내지 못하고 중심 별의 빛을 받아 반사한다) 탄생의 잔해물을 추적하던 중 허블우주망원경으로 이 항성 주위에 해당 물질의 원반을 발견했다. 이후 2008년 칼라스는 소위 이 행성 형성 초기 단계의 원반 안에서 밝은 점을 발견했는데, 이는 처음에는 행성으로 여겨졌다. 그런데, 이번 새로운 연구에 따르면  행성 후보 포말하우트 b(cs1)는 실제로 격렬한 소행성체들 간의 충돌로 인해 휘저어진 먼지 구름이다.

최근 허블의 추가 관측 과정에서 연구진은 cs1과 유사한 또 다른 빛의 점을 발견했고, 이를 'cs2'로 명명했다. 두 잔해 구름은 포말하우트 외곽 먼지 원반의 안쪽 경계 부근에서 서로 가까운 위치에 자리 잡고 있어 과학적 의문을 낳고 있다. 충돌이 무작위로 발생한다면 서로 무관한 위치에서 관측돼야 하지만, 두 사건이 지리적으로 인접해 있다는 점에서 체계적인 원인이 존재할 가능성이 제기된다.

2004년과 2023년에 관측된 현상의 밝기를 통해 관련된 천체들이 지름 약 60km(37마일) 이상이라는 사실이 밝혀졌다. 이는 각각의 천체가 6600만 년 전 지구에 충돌하여 공룡을 비롯한 모든 동식물 종의 75%를 멸종시킨 소행성 칙술루브 충돌체 보다 최소 네 배 이상 크다는 것을 의미한다. 멕시코 유카탄 반도에 있는 칙술루브 충돌구는 직경 약 180km, 깊이 약 20km의 운석 충돌구로 6600만년 전 이 충돌이 공룡을 포함한 생물종의 약 75%를 멸종시킨 K-Pg 대멸종 원인의 정설로 받아들여지고 있다. 

더욱 이례적인 점은 충돌 빈도다. 기존 이론에 따르면 이 정도 규모의 충돌은 10만 년에 한 번꼴로 발생하는 것이 일반적이다. 그러나 포말하우트 항성계에서는 불과 20년 사이 두 차례나 관측됐다. 칼라스 교수는 "수천 년에 걸친 행성계의 역사를 빠르게 재생한다면, 이 시스템은 끊임없이 충돌이 일어나는 불꽃처럼 보일 것"이라고 설명했다.

이번 관측은 행성계 진화 연구에도 중요한 단서를 제공한다. 영국 케임브리지대의 마크 와이엇 교수는 "이 관측을 통해 충돌한 미행성의 크기와 개수를 추정할 수 있다"며 "cs1과 cs2를 만든 미행성은 지름 약 60㎞ 규모이며, 포말하우트 항성계에는 이와 유사한 천체가 약 3억 개 존재하는 것으로 추산된다"고 밝혔다. 그는 "이번 관측의 흥미로운 점은 충돌하는 천체의 크기와 원반 내에 존재하는 소행성의 개수를 추정할 수 있다는 것이다. 이는 다른 어떤 방법으로는 얻기가 거의 불가능한 정보"라고 설명했다.

다만 이러한 잔해 구름은 향후 외계 행성 직접 관측에 혼선을 줄 수 있다는 점에서 경고적 의미도 지닌다. cs1과 cs2는 별빛을 반사하는 방식이 실제 행성과 매우 유사해 차세대 우주망원경이 이를 행성으로 오인할 가능성이 있기 때문이다. 칼라스 교수는 "큰 먼지 구름은 수년간 행성처럼 보일 수 있다"며 "이는 반사광 기반 외계 행성 탐사에 중요한 주의점"이라고 지적했다.

연구팀은 향후 3년간 허블망원경으로 cs2의 밝기와 형태, 궤도 변화를 추적할 계획이다. 

또한 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 근적외선 카메라(NIRCam)를 활용해 먼지 입자의 크기와 성분, 물 얼음 포함 여부 등을 분석할 예정이다. 가시광선을 관측하는 허블과 적외선을 관측하는 웹망원경의 결합 관측은 포말하우트 항성계의 빠른 진화 과정을 입체적으로 규명하는 데 핵심 역할을 할 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 18일자 국제학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.