[뉴스스페이스=이승원 기자] 지구 질량의 23.5배에 이르는 외계행성 GJ 523b가 두꺼운 수소·헬륨 대기 대신 고밀도 암석질 특성을 보인 것으로 확인됐다. space.com, phys.org, naukatv, science.focus, elcomercio, spacedaily에 따르면, 단일 사례이자 동료심사 전 프리프린트라는 한계는 분명하지만, ‘거대 핵은 곧 가스행성’이라는 통상적 형성 경로의 예외를 정량적으로 보여주는 관측 결과다.

‘메가 지구’의 물성

미국 위스콘신-매디슨대 연구진이 arXiv에 공개하고 《천문학 저널(The Astronomical Journal)》에 제출한 논문에 따르면, GJ 523b는 지구 평균 밀도 약 5.5g/㎤보다 약 42% 높고, 해왕성 반지름의 약 60% 수준 크기에 지구 23개 이상의 질량을 압축한 셈이다.

연구진은 반지름이 지구의 2.1배 이상이면서 평균 밀도가 5.5g/㎤ 이상인, 이른바 ‘초고밀도 서브해왕성’을 관측상 메가 지구(mega-Earth)로 분류하자고 제안했다. 이는 기존에 느슨하게 쓰이던 표현을 물리적 기준으로 정리하려는 시도다. GJ 523b는 이 기준을 충족하는 대표적 사례로 제시됐다.

​
도 항성 자전면과 크게 어긋난 극궤도 가능성

수치의 핵심은 질량 자체보다 질량·반지름·밀도의 조합에 있다. 반지름이 2.55배라면 부피는 지구의 약 16.6배인데, 질량은 23.5배이므로 평균 밀도가 지구보다 높아진다. 대량의 수소·헬륨 대기를 보유한 일반적인 저밀도 서브해왕성이라면 설명하기 어려운 구조다.

어떻게 확인했나

발견은 NASA의 외계행성 탐사위성 TESS가 맡았다. TESS는 중간 K형 왜성 GJ 523 앞을 행성이 지날 때 발생하는 주기적 밝기 감소, 즉 트랜싯 신호를 포착했다. 이후 연구팀은 애리조나 키트피크 국립천문대의 WIYN 3.5m 망원경과 고분산 분광기 NEID를 활용해 별의 시선속도 변화를 측정했다.

트랜싯 관측은 행성 반지름과 공전주기를, 시선속도 관측은 행성 중력이 항성에 가하는 흔들림을 통해 질량을 추정한다. 두 방식의 결합이 중요한 이유다. 트랜싯만으로는 ‘큰 암석행성’과 ‘두꺼운 대기를 지닌 저밀도 행성’을 명확히 구분하기 어렵지만, 질량까지 측정하면 평균 밀도와 내부 조성의 제약 범위가 좁아진다.

왜 기존 이론과 충돌하나

표준적인 핵흡적(core accretion) 모형에서 원시행성은 암석·얼음·금속 성분의 핵을 먼저 키운 뒤, 충분한 질량에 도달하면 원시행성계 원반의 수소와 헬륨을 빠르게 포획한다. 태양계의 목성과 토성 같은 거대행성은 대체로 핵이 지구 질량 약 20배 수준에 이른 뒤 거대한 기체 외피를 형성한 것으로 이해된다.

GJ 523b는 그 경계로 자주 거론되는 약 20지구질량을 넘어선 23.5지구질량이다. 그럼에도 고밀도와 질량-반지름 관계는 대기 질량 분율이 낮고, 행성이 암석질 중심 구조일 가능성을 시사한다. 다시 말해 “왜 이 정도 질량의 행성이 가스행성으로 넘어가지 않았는가”가 이번 발견의 본질이다.

다만 ‘대기가 전혀 없다’고 단정할 단계는 아니다. 현재 결과는 고밀도에 근거해 상대적으로 적은 대기 질량 분율을 시사하는 것이며, 대기 조성·두께 및 내부 구조에는 추가 관측과 모델링이 필요하다. 논문 역시 형성 경로를 결정할 데이터가 아직 충분하지 않다고 명시했다.

검증의 다음 단계

이번 발견은 ‘새 이론의 확정’보다, 행성 형성 모델이 설명해야 할 강력한 예외 사례에 가깝다. 연구는 2026년 3월 25일 arXiv에 등록된 프리프린트이며, 현재 학술지 심사 과정에 있다. 따라서 질량·반지름·밀도 추정의 불확실성, 항성 활동이 시선속도 신호에 미치는 영향, 대기의 실제 존재 여부는 후속 검증이 필요하다.

막스 크로프트 연구진도 표본 하나만으로 일반적인 행성 형성 이론을 바꾸기는 어렵다고 선을 그었다. 그러나 GJ 523b는 질량이 큰 암석행성이 드문 우연인지, 아니면 지금까지 분류가 부족했던 별도의 행성군인지를 가르는 출발점이 될 수 있다.