거대 충돌 한 번에 행성 수백만 년간 ‘진동’ 가능성

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초기 태양계는 충돌의 연속이었다. 달 표면에 새겨진 수많은 크레이터는 당시 얼마나 많은 천체들이 충돌했는지를 그대로 보여준다. 이런 격동의 역사는 외계 행성계에서도 마찬가지일 것으로 보이며, 최근 한 이론 연구는 거대 가스 행성 간 충돌이 얼마나 오래 지속되는 ‘행성 규모의 진동’을 남길 수 있는지를 시뮬레이션으로 분석했다.

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UC버클리 이론물리학자 J.J. 자나치 박사 연구팀은 ‘직접 촬영된 거대 외계행성에서 거대 충돌이 유발하는 지진 진동(Seismic Oscillations Excited by Giant Impacts in Directly-Imaged Giant Planets)’이라는 논문을 통해, 이러한 충돌이 수백만 년 이상 지속되는 진동을 일으킬 수 있으며, 제임스웹 우주망원경(JWST)으로 그 효과를 포착할 수 있다고 밝혔다.

 

 

 

새로운 연구에 따르면, 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 거대한 행성 충돌 이후 수백만 년 동안 지속되는 지진 활동의 흔적을 탐지할 수 있는 것으로 나타났다. 이 그림은 암석형 행성 간 충돌을 묘사하고 있지만, 금속 함량이 높은 가스형 행성들도 충돌하며 장기간의 지진 활동을 유발할 수 있다.

[사진=NASA/SOFIA/Lynette Cook]

 

 

연구팀은 질량이 목성의 13배에 달하는 젊은 외계행성 ‘베타 픽토리스 b(Beta Pictoris b)’를 분석 대상으로 삼았다. 이 행성은 나이가 1천만~2천만 년에 불과하며, 내부에 최대 300지구질량의 중원소(heavy elements)를 포함하고 있는 것으로 추정된다. 연구진은 여기에 해왕성급 외행성이 충돌해 병합되는 시나리오를 설정하고, 그 과정에서 발생하는 지진파를 분석했다.

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시뮬레이션 결과, 충돌은 행성 내부와 표면에서 다양한 진동 모드를 유발하는 것으로 나타났다. 연구팀은 이 진동을 표면을 따라 퍼지는 기본 모드(f-mode)와 내부 압력에 따른 음향 모드(p-mode)로 분류했다. 이 진동은 적외선 광도에 변화를 줄 정도로 강하고 장기간 지속되며, 충돌이 약 900만~1,800만 년 전 사이에 발생했다면 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 감지 가능하다는 결론에 도달했다.

 

 

 

왼쪽은 f-모드로, 표면을 따라 퍼지는 기본 진동 모드이며, 수평 방향으로 움직여 물결과 유사한 표면파를 나타낸다. 오른쪽은 p-모드로, 압력 또는 음향에 의해 발생하는 진동 모드이며, 소리의 전파처럼 행성 내부를 통과한다. f-모드는 표면 정보를, p-모드는 내부 구조 정보를 제공한다. 색상은 온도 이상(빨간색) 또는 결핍(파란색)을 나타낸다.

[사진=Zanazzi et al. 2025]

 

 

자나치 박사는 “이러한 장기 진동은 행성의 밀도, 내부 구조, 안정층의 존재 여부 등 기존 관측으로는 파악하기 어려운 정보를 밝혀낼 수 있다”고 설명했다. 지금까지는 목성이나 토성 등 가까운 행성의 내부를 중력 분석으로만 추정해 왔지만, 이번 방식은 먼 외계행성에도 적용 가능하다는 점에서 의미가 크다.

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연구팀은 또 다른 가능성도 제시했다. 중심별을 가까운 궤도로 도는 ‘뜨거운 목성(hot Jupiter)’의 경우, 별의 조석력이 행성 내부를 자극해 유사한 진동을 일으킬 수 있으며, 이 또한 적외선 광도 곡선을 통해 간접 측정이 가능하다고 밝혔다. 이는 외계행성의 진화와 내부 구조를 분석할 수 있는 새로운 관측 기법, 즉 ‘광학적 천체지진학(optical asteroseismology)’의 가능성을 제시한 것으로 평가받는다.

 

 

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