태양계는 이렇게 태어났다…제임스 웹이 포착한 '결정의 순간'[과학을읽다]

서울대 이정은 교수팀, 별 탄생 과정서 규산염 생성·이동 메커니즘 첫 규명

국내 연구진이 태양계와 행성이 만들어지는 초기 단계의 핵심 과정을 관측으로 밝혀냈다. 별이 태어나는 과정에서 규산염이 결정화되는 순간과 그 물질이 외곽으로 이동하는 메커니즘을 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 세계 최초로 포착한 것이다.

과학기술정보통신부는 이정은 서울대학교 교수 연구팀이 별 형성 과정에서 발생하는 폭발적 질량 유입(accretion burst)이 원시행성계 원반 안쪽을 고온으로 가열해 규산염을 결정화시키고, 이렇게 생성된 물질이 외곽으로 운반될 수 있음을 관측으로 입증했다고 22일 밝혔다. 이번 연구는 과기정통부 기초연구사업(중견연구·기초연구실) 지원으로 수행됐다.

제임스 웹 우주망원경으로 관측한 태아별 EC 53의 중적외석 분광 스펙트럼 (J.-E. Lee et al. 2026, Nature). 위 그림은 제임스 웹 우주망원경(JWST) 중적외선 분광기(MIRI)로 관측한 태아별 EC 53의 스펙트럼. 폭발기(빨간색)에는 휴지기(파란색) 대비 밝기가 3배 이상 증가하며, 특히 10μm 부근에서 규산염 흡수 특성이 뚜렷하게 나타난다. 아래 그림은 폭발기와 휴지기의 밝기 비율을 비교한 그래프로, 10μm 영역에서 큰 증가가 확인된다. 이는 폭발 단계 동안 원시행성계 원반 내부에서 규산염 성분이 새롭게 형성됐음을 시사한다. 이정은 서울대학교 물리천문학부 교수 제공

규산염은 지구형 행성과 혜성을 구성하는 핵심 광물이다. 특히 결정질 규산염은 600℃ 이상의 고온 환경에서만 형성되는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 극도로 차가운 태양계 외곽에서 기원한 혜성에서 결정질 규산염이 발견되면서, 고온에서 만들어진 물질이 어떻게 외곽까지 이동했는지는 오랜 미해결 문제로 남아 있었다.

연구팀은 국내에서 유일하게 확보한 제임스 웹 우주망원경 관측 시간을 활용해 뱀자리 성운에 위치한 태아별 EC 53을 집중 관측했다. EC 53은 약 18개월 주기로 밝기가 변해 휴지기와 폭발기를 명확히 구분할 수 있는 천체다. 연구진은 JWST의 중적외선 분광기(MIRI)를 이용해 두 시기의 스펙트럼을 비교 관측했다.

자기유체역학적 원반풍에 의한 규산염 결정화 및 재분배 모식도(J.-E. Lee et al. 2026, Nature). 폭발 단계 동안 원시행성계 원반에서 일어나는 규산염 결정화와 이동 과정을 도식화한 그림이다. 왼쪽은 폭발기 원반 내부의 온도 분포와 함께 결정질 휘석(연두)과 감람석(초록)의 결정화 영역을 보여주며, 오른쪽은 형성된 결정질 규산염이 혼합돼 이동하는 과정을 나타낸다. 이들 규산염은 자기유체역학적 원반풍(MHD disk wind)에 의해 원반 표면에서 들어 올려져 외곽 영역까지 운반될 수 있으며, 원반 내부의 수직 혼합으로 수년 내 중간면에서 결정질 규산염 비율이 증가함을 시사한다. 이정은 서울대학교 물리천문학부 교수 제공

그 결과 폭발기에서만 결정질 규산염의 특징적인 적외선 신호가 뚜렷하게 검출됐다. 분석 결과 이는 결정질 감람석과 휘석 성분으로, 태아별에 가까운 뜨거운 원반 안쪽에서 새롭게 형성된 물질임이 확인됐다. 이는 규산염 결정화가 별 탄생 초기의 폭발적 진화 단계에서 실제로 일어남을 보여주는 직접적인 관측 증거다.

연구진은 또 원반 안쪽에서 형성된 결정질 규산염이 원반풍(disk wind)을 통해 차가운 원반 외곽으로 운반될 수 있음을 함께 밝혀냈다. 이는 혜성 속 결정질 규산염의 기원과 이동을 하나의 물리적 시나리오로 설명할 수 있음을 의미한다.

연구진 사진. 서울대학교 제공

이번 연구 성과는 국제학술지 Nature에 "강착 폭발이 행성 형성 원반에서 규산염을 결정화시킨다(Accretion bursts crystallize silicates in a planet-forming disk)"라는 제목으로 21일(현지시간) 게재됐다.

연구를 이끈 이정은 교수는 "오랜 기간 축적해 온 이론적 예측이 제임스 웹 우주망원경 관측으로 검증된 사례"라며 "후속 관측을 통해 규산염 결정화와 물질 이동 과정이 다른 별에서도 보편적으로 나타나는지 확인해 나갈 계획"이라고 말했다.

이번 성과는 태양계뿐 아니라 다른 항성 주위의 행성계 형성 과정 이해에도 중요한 기준점을 제시하며, 제임스 웹 우주망원경을 활용한 시계열 관측 연구의 새로운 이정표로 평가된다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr