별이 되려다 실패한 갈색왜성의 비밀…차세대 우주 망원경이 푼다

거대한 갈색왜성의 상상도

지구는 행성이고 태양은 별이다. 이 둘의 차이는 너무나 확실해서 누구나 구분할 수 있다. 하지만 우주에는 둘 사이의 경계가 모호해지는 천체가 존재한다. 과학자들은 별(항성)이라고 하기에는 작지만, 행성이라고 하기에는 큰 애매한 천체를 갈색왜성(Brown dwarf)으로 분류했다. 이렇게 분류한 근거는 핵융합 반응이다.

갈색왜성은 태양질량의 0.08배 미만의 작은 질량 때문에 중심부에서 안정적인 수소 핵융합 반응을 유지하기 어렵다. 하지만 수소보다 낮은 온도 및 압력에서도 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 중수소를 이용해 스스로 에너지를 내놓을 수 있다. 다만 수소는 우주에서 가장 흔한 원소지만, 그 동위원소인 중수소는 드문 원소다. 따라서 갈색왜성은 핵융합 반응 정도가 약해 별보다 작고 차가운 천체가 된다. 갈색왜성의 질량 하한선은 목성의 13배 정도로 생각되고 있으며 이보다 질량이 낮으면 아예 핵융합 반응이 일어나지 않는다. 따라서 스스로는 빛을 내지 않고 반사되는 빛만 있는 행성이 되는 것이다.

이렇게 설명하면 별, 갈색왜성, 행성의 경계가 명확하게 구분되는 것 같지만, 사실 갈색왜성과 행성의 경계는 모호한 부분이 많다. 갈색왜성과 행성 모두 작고 어두운 천체라서 실제 관측을 통해 이론적 질량 경계를 검증하기 어렵기 때문이다. 같은 환경에서 태어나 질량이 크면 갈색왜성이 되고 질량이 작으면 가스 행성이 되는지도 불분명하다.

NGC 1333 성운. 출처=NASA/JPL-Caltech/R. A. Gutermuth (Harvard-Smithsonian CfA)

영국 세인트 앤드류스 대학의 알렉스 숄츠가 이끄는 연구팀은 지구에서 1000광년 떨어진 가스 성운인 NGC 1333이 가장 좋은 관측 목표라는 연구 결과를 발표했다. (사진) 이 가스 성운은 많은 아기 별이 생성되는 장소인데, 당연히 별이 되기에 충분한 가스를 모으지 못한 천체도 존재한다. NGC 1333 안에는 갈색왜성과 행성의 경계인 목성 질량의 10배 이하 천체도 상당수 존재할 것으로 예상된다. 문제는 현재 인류가 가진 망원경으로 이를 직접 관측하기 힘들다는 것이다.

제임스 웹 우주 망원경의 상상도

연구팀은 2021년 발사될 제임스 웹 우주 망원경에 설치된 NIRISS(Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph)가 이를 관측할 가장 이상적인 기기라고 보고 있다. 갈색왜성이나 거대 행성급 천체는 별보다 차갑고 어둡기 때문에 가시광보다 파장이 긴 적외선 영역에서 관측해야 한다. 하지만 과학자들이 관측하려는 파장대는 지구 대기에 의한 간섭이 심하다. 따라서 역대 가장 강력한 우주 망원경인 제임스 웹 우주 망원경에 큰 기대를 거는 것이다. 연구팀은 갈색왜성과 행성의 경계를 파악하는 것은 물론 별 주변이 아닌 가스 행성에서 생긴 떠돌이 행성(rogue planet)의 생성 과정을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대했다.

물론 이런 기대가 현실이 되려면 몇 년째 발사가 연기된 제임스 웹 우주 망원경이 안전하게 발사되어 임무를 수행해야 한다. 현재 계획대로 2021년에 발사에 성공한다면 과거 허블 우주 망원경이 그랬던 것처럼 제임스 웹 우주 망원경 역시 인류의 지식을 한 단계 끌어올릴 것이다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com