[뉴스스페이스=윤슬 기자] 2025년 6월, 천문학계는 역사적인 전환점을 맞았다.

NASA의 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 인류 최초로 토성 질량에 해당하는 외계행성 TWA 7b를 직접 이미징 방식으로 포착하는 데 성공했다. 이는 지금까지 약 5900여 개의 외계행성이 발견됐지만, 대부분이 간접적(트랜싯, 도플러 등) 방법에 의존했던 것과 달리, 빛이 극히 약한 외계행성을 직접 ‘사진’으로 남긴 첫 사례다.

‘토성급’ 행성, 원반의 틈에서 포착되다

TWA 7b는 지구에서 약 110~111광년 떨어진 적색왜성 TWA 7(CE Antilae)을 공전하는 가스형 거대행성이다. 질량은 목성의 0.3배(약 100지구질량)로, 토성과 비슷하다.

아직 형성된 지 6.4백만년밖에 되지 않은 젊은 항성계로, 행성은 항성에서 약 52AU(태양-지구 거리의 52배) 떨어진 곳을 돌고 있다. 표면 온도는 약 47도(섭씨)에 이르며, 형성 직후의 열을 아직 방출하는 중이다.

이 행성의 발견은 단순한 ‘신규 외계행성’ 추가를 넘어, 행성 형성과 원반 구조의 상호작용을 실증적으로 확인했다는 데 큰 의미가 있다. TWA 7 주변에는 세 개의 뚜렷한 먼지 고리와 그 사이의 틈(gap)이 존재하는데, TWA 7b는 이 중 가장 좁은 틈 한가운데에서 포착됐다.

이는 행성의 중력이 먼지 원반에 틈을 만들고, 주변 물질을 ‘목동(shepherd)’처럼 조절한다는 이론을 직접 입증한 첫 사례다.

앤 마리 라그랜지(Anne-Marie Lagrange) 연구책임자는 "관측 결과, 행성의 위치와 질량은 먼지 원반의 구조를 설명하는 이론적 예측과 정확히 일치했다”고 설명했다.

JWST의 ‘MIRI 코로노그래프’가 만든 혁신

이번 발견의 핵심은 JWST의 중적외선 관측장비 MIRI(Mid-Infrared Instrument)와 첨단 코로노그래프 기술이다. 코로노그래프는 항성의 강한 빛을 차단해, 그 주변의 희미한 행성이나 원반 구조를 드러내는 장치다.

특히 MIRI에는 세계 최초로 우주망원경에 적용된 4분면 위상마스크(4QPM) 코로노그래프가 탑재되어, 극도로 작은 각거리(0.3~0.5초각) 내에서도 항성 빛을 억제하고 행성 신호를 포착할 수 있다.

실제 관측 과정에서는 고대비 이미징 기법과 잔여 항성광 제거(PSF subtraction) 알고리즘을 동원해, 항성 빛에 묻힌 미약한 적외선 신호를 추출했다. 이 과정에서 TWA 7b는 태양계 천체나 배경 은하일 가능성이 0.34% 미만으로 낮아, 사실상 행성임이 유력하다는 결론에 도달했다.

‘목동 행성’ 이론, 30여년 만에 첫 실증

TWA 7b의 위치와 원반 구조는 ‘목동 행성(shepherd planet)’ 가설의 직접 증거다. 이 이론은 토성의 위성들이 고리의 경계를 유지하듯, 행성이 원반 내 틈을 만들고 주변 물질을 조절한다는 내용이다. 그간 베타 픽토리스 등 일부 항성계에서 간접적 증거가 있었으나, 행성 자체가 원반 틈에서 직접 포착된 것은 이번이 처음이다.

앤 마리 라그랜지(Anne-Marie Lagrange) 연구원은 “이번 발견은 행성이 실제로 원반에 틈을 만들고, 그 구조를 조절한다는 이론을 실증한 첫 사례”라고 강조했다.

직접 이미징, 왜 어려운가?

외계행성 직접 이미징은 극한의 기술적 도전이다. 항성은 행성보다 수백만~수억 배 밝으며, 행성 신호는 항성 빛에 묻혀 사라지기 쉽다. 특히 젊고, 질량이 크며, 항성에서 멀리 떨어진 행성만이 현재 기술로 포착 가능하다. JWST의 대형 주경(6.5m)과 적외선 감도, 그리고 첨단 코로노그래프가 결합되어야만 이번처럼 토성 질량의 행성을 직접 볼 수 있다.

차세대 외계행성 연구의 신기원

TWA 7b 발견은 JWST가 토성급 이하의 저질량 외계행성도 직접 이미징할 수 있음을 입증했다. 연구진은 향후 목성 질량의 10% 수준(지구질량 30~40배)의 행성까지 포착이 가능할 것으로 기대한다. 이는 궁극적으로 지구형 행성의 직접 이미징, 생명체 탐색 등 외계행성 연구의 패러다임 전환을 예고한다.

JWST의 TWA 7b 직접 이미징은 기술적 한계를 돌파한 쾌거이자, 행성 형성 이론의 실증, 그리고 외계행성 탐사의 새로운 장을 여는 사건이다.

앞으로 JWST와 차세대 망원경들은 더 작고, 더 희미한 외계행성의 직접 이미징에 도전할 것으로 보인다.