64광년 밖 외계행성 '베타 픽토리스 b'에서 전파 신호 포착, 자기장 단서로 주목

연구진은 남아프리카공화국에 위치한 MeerKAT 전파망원경을 사용하여 2025년 2월부터 2026년 5월까지 네 차례에 걸쳐 베타 픽토리스 b 행성계를 관측했습니다. 이 장비는 여러 접시 안테나를 함께 사용하여 우주에서 오는 전파를 관측하는 데 사용됩니다.

해당 행성계에서 전파가 포착되었지만, 별에서도 자연적으로 전파가 발생하기 때문에 출처를 명확히 구분하는 것이 어려웠습니다. 특히 베타 픽토리스 b는 별에서 가장 멀리 떨어져 보일 때도 두 천체 간의 간격이 약 0.55초각에 불과해 정밀한 위치 측정이 관건이었습니다.

연구진은 전파 영상의 좌표를 정밀하게 보정하기 위해 위치가 알려진 기준 천체들을 활용했습니다. 여기에는 같은 시야에 들어온 퀘이사 아홉 개와 전파원 한 개가 포함되었으며, 가이아 위성 데이터도 사용되었습니다. 퀘이사는 아주 멀리 있어 하늘에서 위치가 거의 변하지 않기 때문에 좌표를 맞추는 기준으로 적합합니다.

측정 오차를 고려한 결과, 관측된 전파의 위치는 행성 베타 픽토리스 b와 잘 일치했으며, 별의 위치와는 유의미한 차이가 있었습니다. 전파가 별에서 나왔다고 가정할 경우, 관측된 정도 이상의 위치 차이가 나타날 확률은 약 17만 분의 1에 불과하여, 연구진은 전파의 출처를 베타 픽토리스 b로 특정했습니다.

관측된 전파는 세기가 짧은 시간에 크게 높아졌다가 약해지는 폭발 현상이 여러 차례 나타났으며, 그 사이에도 희미한 전파가 꾸준히 이어졌습니다. 전파가 행성 정도 크기의 영역에서 나온다고 가정하고 계산한 결과, 밝기 온도는 최소 약 600억 켈빈에 달했습니다. 이는 행성이 실제 그만큼 뜨겁다는 뜻이 아니라, 관측한 밝기를 열복사로 내려면 필요한 온도를 나타낸 값입니다. 전파의 진동 방식에서는 원편광도가 약 40에서 70%로 높게 나타나는 특징을 보였습니다.

연구진은 이러한 밝기와 강한 원편광, 빠른 세기 변화를 종합하여 전파 발생 원리를 추정했습니다. 가장 유력한 가설은 자기장 속 전자들이 전파를 강하게 증폭하는 '전자 사이클로트론 메이저' 과정입니다. 이 메커니즘은 지구와 목성의 오로라 전파와 동일한 방식으로, 연구진은 이번에 관측된 폭발형 신호도 오로라 전파로 해석했습니다. 다만, 폭발 사이에 이어지는 희미한 전파에는 다른 발생 과정이 섞여 있을 가능성도 있습니다.

자기장이 강할수록 전자가 자기력선 주위를 더 빠르게 돌고, 이 회전과 연결된 전파의 주파수도 높아집니다. 전파가 전자의 기본 회전 주파수에서 나온다면 자기장 1가우스당 주파수는 약 2.8MHz라는 관계가 성립됩니다. 연구진은 이 관계를 이용해 전파가 발생한 곳의 자기장 세기를 계산했습니다.

베타 픽토리스 b에서는 3.5GHz(3,500MHz)의 전파가 관측되었는데, 이는 목성의 오로라 전파(최고 약 40MHz)보다 약 90배 높은 주파수입니다. 연구진의 해석에 따르면, 이 주파수를 자기장 세기로 환산했을 때 전파가 발생한 곳의 자기장은 최소 약 1,250 가우스로 추정됩니다. '최소'라는 표현이 붙는 이유는 3.5GHz가 이번 장비로 관측할 수 있는 가장 높은 주파수였기 때문이며, 실제 자기장은 더 강할 가능성이 있습니다.

행성 내부에서 전기가 통하는 물질이 대류하면서 자기장을 만들고 유지하는 과정을 다이너모 이론이라고 부릅니다. 연구진이 적용한 이론에서는 이러한 대류가 운반하는 에너지와 자기장 세기가 연결되어 있다고 보았습니다. 베타 픽토리스 b는 별과 행성의 궤도 운동을 통해 질량까지 측정된 상태입니다.

연구진은 이 행성의 질량, 밝기, 반지름 데이터를 이론에 대입하여 계산한 결과, 평균적인 표면 자기장이 약 1,200 가우스라는 예측을 얻었습니다. 물론 이론에서 계산한 평균 자기장과 전파가 나오는 특정 지역의 자기장을 직접 비교할 수는 없지만, 이번에 추정한 자기장 세기가 이론에서 예상한 수준과 크게 다르지 않다는 점은 주목할 만합니다.

오로라 발생에는 전자를 가속할 에너지가 필요합니다. 연구진은 먼저 모항성인 베타 픽토리스에서 불어오는 항성풍을 검토했지만, 이를 바탕으로 계산한 전파 세기는 실제 관측보다 약 1천 배나 약했습니다. 목성의 위성 이오(Io)처럼 위성과 행성의 자기장이 상호작용하는 경우도 살펴보았으나, 가장 유리한 조건을 가정해도 예상되는 전파는 관측된 희미한 지속 성분의 10분의 1에도 미치지 못했습니다.

이에 연구진이 가장 유력하게 지목한 에너지원은 행성의 자전입니다. 빠르게 회전하는 행성의 자기장은 주변 플라즈마를 함께 돌게 만드는데, 행성에서 멀리 떨어진 플라즈마까지 같은 주기로 유지하는 데는 한계가 있습니다. 이때 바깥쪽 플라즈마가 행성의 자전 속도를 따라가지 못하면 회전 속도에 차이가 생기고, 이 차이로 인해 자기력선을 따라 전류가 흐르며 전자들이 극지방을 향해 가속하면서 오로라와 전파를 만들어낼 수 있습니다. 실제로 여러 전파 폭발 가운데 첫 번째와 세 번째 폭발 사이의 간격이 약 8시간으로, 이 행성의 자전 주기(약 9시간)와 비슷한 길이였다는 관측 결과도 자전 효과에 대한 단서로 제시되었습니다.

이번 연구는 학술지 심사를 마치기 전 프리프린트 형태로 먼저 공개된 결과입니다. 따라서 관측 자료와 해석에 대한 다른 연구자들의 검토 과정이 필요합니다. 암스테르담 대학교의 천문학자 조 캘링햄은 전파의 출처를 행성으로 특정한 방법을 이 연구의 주요 성과로 평가하면서도, 추가 확인이 필요하다고 언급했습니다.

특히 관측에서 나타난 폭발 간격이 우연히 자전 주기와 비슷했던 것인지, 아니면 실제로 자전과 연결된 반복 패턴인지를 알아봐야 합니다. 행성이 여러 번 회전하는 동안 더 오래 관측하여 같은 패턴이 되풀이되는지 확인한다면, 오로라라는 해석을 뒷받침할 근거를 더 확보할 수 있을 것으로 예상됩니다.

이번 연구에 사용된 비슷한 방법을 적용할 다른 행성들도 남아 있습니다. 연구진에 따르면 약 150광년 안에 관측 후보가 될 만한 거대 행성이 일곱 개가 더 있으며, 전파망원경의 감도가 지금보다 약 다섯 배에서 일곱 배 높아진다면 이 행성들에서도 전파를 확인할 수 있을 것으로 예상됩니다.

자기장을 알아내는 것은 행성의 내부뿐 아니라 대기를 연구하는 데도 도움이 됩니다. 자기장은 별에서 날아오는 전기를 띤 입자들의 움직임을 바꾸고, 대기가 우주로 빠져나가는 과정에도 영향을 주기 때문입니다. 대기 관측에 자기장 정보까지 더할 수 있다면, 행성이 주변 우주 환경과 어떻게 상호작용하는지 더 구체적으로 연구할 수 있을 것입니다.

지구와 비슷한 자기장을 가진 행성에서는 오로라 전파가 대체로 10MHz보다 낮은 주파수에서 나올 것으로 예상되는데, 이처럼 낮은 주파수의 전파는 지구의 전리층을 통과하기 어렵습니다. 따라서 이러한 신호를 관측하려면 망원경의 감도를 높이는 것과 함께 전리층 밖으로 나가는 방법이 필요합니다.

천문학자들이 주목하는 장소 가운데 하나는 달의 뒷면입니다. 달 뒷면은 지구 전리층의 영향을 피할 수 있고, 달 자체가 지구에서 나오는 전파 잡음도 가려주기 때문입니다. NASA와 미국 에너지부가 함께 준비 중인 '루시나이트' 프로젝트는 초기 우주의 흔적을 담은 저주파 신호를 연구하기 위해 달 뒷면의 관측 환경과 기술을 시험하는 것을 주요 목표로 하고 있습니다. 이러한 실험을 바탕으로 달에 더 큰 규모의 전파망원경을 만들 수 있다면, 언젠가는 지구를 닮은 행성의 자기장도 전파로 찾아볼 수 있을 것입니다.

지구에서도 방송이나 통신에 쓰려고 만든 인공 전파가 우주로 퍼져 나갑니다. 만약 다른 행성에도 우리처럼 전파를 사용하는 문명이 있다면, 신호의 세기와 거리, 방향 같은 조건이 맞는다면 지금의 망원경으로도 그곳에서 만든 인공 전파를 포착할 가능성이 있습니다. 과학자들은 이미 그러한 인공 신호의 흔적을 찾는 관측을 진행하고 있으며, 아주 좁은 주파수 범위에서 에너지가 집중된 신호처럼 기술로 만들었을 가능성이 있는 특징을 찾고 있습니다.

이러한 후보 신호를 발견할 경우, 지구에서 생긴 전파는 아닌지, 자연 현상으로 설명할 수 있는지, 다른 망원경에서도 확인할 수 있는지를 꼼꼼하게 검증해야 합니다. 언젠가 그렇게 검증한 신호가 정말 다른 문명의 기술로 만들어진 것으로 확인된다면, 그것이 우리를 향해 보낸 메시지일지, 아니면 우리가 사용하는 방송이나 통신처럼 단순히 우주로 흘러나온 신호일지에 대한 논의가 이어질 것입니다.