우주 이야기 1691 - 메가 지구는 실제로 존재할까?

 (Planet radii vs. masses for small planets are plotted as gray points. Lines show mass-radius relations for planets with an Earth-like composition, a purely silicate-rock composition and a purely iron composition, representing the possible mass-radius space in which rocky planets can exist. The eight planets identified as anomalously dense are highlighted. Credit: Casey L. Brinkman et al., "Mega-Earths" are likely an artifact of stellar activity, arXiv (2026). DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2610.12600)

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우주에는 지구 같은 암석 행성이지만, 지구보다 몇 배 더 무거운 슈퍼 지구형 행성들이 존재합니다. 하지만 일부는 슈퍼라고 부르기에도 매우 무거운 질량을 지닌 경우도 있습니다. 이들을 메가 지구 (Mega-Earth)라고 하는데, 지구 질량의 10배가 넘는 암석형 행성입니다. 메가 지구는 물론 매우 드문 경우이긴 하나 행성 형성 이론에 도전하는 존재라는 점에서 과학자들의 주목을 끌고 있습니다.

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기존에 이론에 따르면 행성은 지구 반지름의 약 1.5~1.75배, 즉 지구 질량의 약 4~5배에 달하는 질량에 도달하면 암석으로만 이루어진 순수한 행성에서 가스층을 형성하기 시작합니다. 이론적으로는 이 질량 범위의 상한선이 훨씬 더 높다고 제시되지만, 시뮬레이션 결과에 따르면 순수한 암석 행성은 지구 질량의 약 10배를 넘어서 성장하기는 어려울 것으로 예상됩니다. 그 정도로 거대한 핵은 형성 당시 존재했던 원반에서 두꺼운 가스층을 끌어당겨야 하기 때문입니다.

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하지만 천문학자들은 이 기준치를 넘는 밀도가 높고 가스가 없는 행성 몇 개를 발견했습니다. 만약 이 메가 지구가 실제로 존재한다면, 가스 원반이 사라진 후의 충돌과 같은 특별한 형성 과정을 거쳤거나 혹은 과거 거대 행성의 핵이 가스를 벗겨낸 잔해일 가능성이 높습니다.

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천문학자 케이시 브링크만과 니콜라스 코완 (Casey Brinkman and Nicolas Cowan)은 이런 메가 지구가 실존하는 것인지 아니면 관측 오류인지 조사했습니다. 행성의 질량을 측정하는 가장 흔한 방법은 시선 속도법(Radial Velocity Method, 도플러 분광법)입니다. 이는 항성 주위를 도는 행성의 중력 때문에 항성이 미세하게 앞뒤로 흔들리는 현상을 도플러 효과로 관측해 외계 행성을 찾는 천문학적 탐사 기법입니다.

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그런데 자기 활동이 강한 별은 이 방법으로 질량을 정확하게 측정하기 쉽지 않습니다. 별 표면의 흑점과 밝은 부분들이 회전하면서 나타났다 사라지기를 반복하는데, 이 흔들림이 행성의 중력과 유사한 효과를 나타내기 때문입니다. 이러한 별의 '잡음'은 작은 행성의 미약한 신호를 가리거나 때로는 과장하여 행성의 질량을 실제보다 높게 측정하는 결과를 초래할 수 있습니다.

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연구팀은 NASA의 외계행성 아카이브에서 암석 행성을 감별하기 위해 지구 지름인 네 배 미만인 작은 행성들을 선별한 후 시선속도법으로 질량이 측정된 행성들만 남겼습니다. 다시 질량 추정치가 불확실하거나 간접적인 행성들을 제외한 결과, 최종적으로 333개의 행성이 표본으로 남았습니다.

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연구팀은 행성의 질량과 크기를 그래프로 나타냈습니다. 그 결과 드문 조합을 지니 행성 8개가 나타났는데, 이 8개 행성 모두 지구 질량의 약 10배 이상이었습니다. 그중 4개는 암석형 행성인 메가 지구로 WASP-84 c, TOI-1347 b, TOI-2322 c, 그리고 HD 63433 b입니다. (그림 참조) 나머지 4개는 물이나 다른 무거운 휘발성 물질을 함유할 수 있지만 수소-헬륨 가스는 거의 없는 고밀도 행성이었습니다. 이 행성들은 GJ 523 b, TOI-815 c, HD 18599 b, 그리고 GJ 143 b입니다.

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연구팀은 각 항성 대기에 있는 칼슘의 발광을 이용하여 항성의 자기적 활성도를 확인했습니다. Ca II H 및 K 선은 별의 채층의 자기 가열에 특히 민감하여 이 선들의 중심부에서 더 큰 플럭스를 생성하기 때문에 칼슘을 사용했습니다. 또한 TESS 광도 곡선에서 관측 영역에 나타났다 사라지는 흑점의 깜빡임 현상도 살펴보았습니다.

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그 결과 여덟 개의 모항성 모두 활동적인 것으로 밝혀졌습니다. 이는 우연의 일치라기 보단 앞서 언급한 것처럼 자기 활동이 강한 별 주변에서 시선 속도법이 행성의 질량을 과대 평가할 가능성을 시사하는 대목입니다. 연구팀은 활동적인 별 주위에서 암석형 메가지구 네 개를 발견할 확률을 계산했는데, 그 확률은 약 1%였고, 여덟 개 모두를 발견할 확률은 1% 미만이었습니다. 다시 말해 우연의 일치로 보기 힘든 높은 확률이라는 뜻입니다.

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여기에 젊고 활동적인 별에서 메가 지구가 잘 생성될 물리적인 이유도 없습니다. 오히려 그러한 무거운 행성 하나가 형성되는 데는 더 오랜 시간이 걸릴 것이므로, 나이가 든 별이 더 유리합니다. 따라서 젊은 별이 메가 지구를 우선 포함할 이유도 없고 적어도 나이와 활동 수준에 따라 균등하게 분포해야 하는데, 젊고 활동적인 별에서만 관측되었다는 점은 측정 오차를 암시하는 대목입니다.

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결국 이 문제는 관측 기술이 더 정확해져야 확실한 결론을 내릴 수 있을 것으로 생각됩니다. 다만 이번 연구는 지금까지 관측된 메가 지구가 사실은 측정 오차일 가능성을 제기할 뿐이고 메가 지구 존재 자체를 부정하진 않습니다. 본래 가스 행성이 가스를 잃고 핵만 남는 경우처럼 다른 기전으로 얼마든지 메가 지구는 생성될 수 있습니다. 그리고 언젠가 진짜 메가 지구가 포착되는 날도 올 것으로 기대합니다.

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참고

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Casey L. Brinkman et al., "Mega-Earths" are likely an artifact of stellar activity, arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2610.12600

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Journal information: arXiv

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https://phys.org/news/2026-10-mega-earths-real-stellar-oversized.html

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