별 없이 떠도는 토성급 행성, 한국 관측망이 처음으로 '정체' 밝혀냈다

별의 중력에서 벗어나 우주를 홀로 떠돌던 토성급 행성이 한국 관측망에 붙잡혔다. 한국과 유럽의 지상·우주 망원경이 같은 순간을 포착하며, 이 나홀로 행성의 거리와 질량을 동시에 정확히 측정하는 데 처음으로 성공했다. 보이지 않던 천체의 '정체'를 규명한 결정적 단서가 한국이 구축한 연속 관측망에서 나왔다.

우주항공청은 한국천문연구원이 참여한 국제 공동연구진이 한국의 외계행성 탐색 시스템인 KMTNet과 유럽우주국(ESA)의 가이아 우주망원경을 활용해 토성급 질량의 나홀로 행성을 발견했다고 2일 밝혔다.

지상망원경인 KMTNet과 가이아 우주망원경으로 토성급 질량의 나홀로 행성을 관측하는 방법 가상도. 우주청 제공

이번에 확인된 나홀로 행성은 'KMT-2024-BLG-0792'로, 질량은 토성의 약 0.7배 수준이다. 지구로부터 약 1만 광년 떨어져 있으며, 중심별의 중력에 속하지 않고 은하 공간을 자유롭게 이동하는 나홀로 행성으로 분류된다.

24시간 관측망과 우주망원경의 '동시 포착'

나홀로 행성이란, 중심별의 중력에서 벗어나 우주를 홀로 떠도는 행성이다. 스스로 빛을 내지 않고 별도 없어 직접 관측이 어려우며, 보이지 않는 천체의 중력이 배경 별의 빛을 휘게 하는 미시중력렌즈 현상을 통해서만 발견할 수 있다. 이때 빛이 휘는 정도를 나타내는 기준이 아인슈타인 반경이다.

나홀로 행성은 현재로서는 미시중력렌즈 현상을 통해서만 발견할 수 있다. 미시중력렌즈 현상은 보이지 않는 천체의 중력이 배경 별의 빛을 휘게 해 밝기가 일시적으로 증가하는 현상으로, 발생 시간이 짧아 연속 관측 능력이 관건이다. KMTNet은 칠레·호주·남아프리카공화국에 설치된 3기의 망원경을 통해 24시간 관측이 가능해 이런 짧은 신호를 놓치지 않는 강점을 갖고 있다.

연구진은 KMTNet으로 미시중력렌즈 신호를 포착한 뒤 같은 시기에 가이아 우주망원경이 동일 영역을 16시간 동안 6차례 관측한 자료를 결합해 행성의 거리와 질량을 정밀 산출했다. 지상망원경과 우주망원경의 동시관측 자료를 결합해 나홀로 행성의 물리량을 정확히 규명한 것은 이번이 처음이다.

나홀로 행성의 미시중력렌즈 현상 개념도. 우주청 제공

학문적 의미도 크다. 지금까지 미시중력렌즈 방법으로 발견된 나홀로 행성 9개는 모두 '아인슈타인 데저트'로 불리는 특정 아인슈타인 반경 범위(약 9~25마이크로초각) 밖에서 발견됐다. 그러나 이번 행성은 이 범위 내부에서 확인된 첫 사례로 나홀로 행성의 형성과 분포에 대한 기존 이론을 확장할 단서를 제공할 것으로 평가된다.

이번 연구는 중국 베이징대와 한국천문연구원이 공동으로 수행했다. 논문의 제1저자이자 교신저자는 동수보(Dong Subo) 베이징대 교수이며, 2저자는 같은 대학의 우쯔쉬안(Wu Zexuan) 연구원이다. 한국 측에서는 천문연의 류윤현 박사가 3저자로, 이충욱 박사가 교신저자로 참여했으며, 천문연 미시중력렌즈 연구팀 소속 연구자 다수가 공저자로 이름을 올렸다.

강경인 우주항공청 우주과학탐사부문장은 "천문연이 구축한 KMTNet의 우수한 성능을 바탕으로 미시중력렌즈를 활용한 외계행성, 특히 나홀로 행성 발견에서 우리나라가 선도적 역할을 하고 있다"며 "앞으로도 지상망원경과 국제 우주망원경 간 동시관측을 통해 새로운 우주과학 성과를 지속적으로 창출해 나가겠다"고 말했다.

이번 연구 결과는 "토성 질량 천체에 의해 발생한 나홀로 행성 미시중력렌즈 현상(A free-floating-planet microlensing event caused by a Saturn-mass object)"이라는 제목으로, 2026년 1월 1일자(미국 동부시각) 국제학술지 사이언스에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr
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