국제 연구팀 "동위원소 비율 첫 측정…금속함량 낮은 별 주변서 형성된 듯"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 태양계 밖에서 날아온 세 번째 성간(星間) 천체인 '3I/ATLAS' 혜성의 탄소와 질소 동위원소 분석 결과 이 혜성이 태양보다 2배 이상 오래된 별 주변에서 형성됐을 가능성이 큰 것으로 나타났다.

2026년 1월 18일, 유럽남방천문대(ESO)의 초대형 망원경(VLT)에 포착된 성간 혜성 3I/ATLAS. 14분간 촬영된 사진 여러 장을 합성한 것으로, 사선 궤적들은 배경의 별들이다. [ESO/O. Hainaut 제공. 재판매 및 DB 금지]

영국 에든버러대 시리엘 오피톰 교수가 이끄는 국제 연구팀은 7일 과학 저널 네이처 천문학(Nature Astronomy)에서 성간 혜성 3I/ATLAS의 탄소와 질소 동위원소 비율을 측정, 이 혜성이 금속함량(metallicity)이 낮은 오래된 별 주위에서 형성됐을 가능성이 크다는 결론을 얻었다고 밝혔다.

오피톰 교수는 "성간 혜성은 태양계 밖의 별 주위에서 형성돼 떠돌다 태양계로 들어오는 얼음 천체로, 아주 먼 곳에서 일어난 행성 형성 과정의 화석과 같은 존재지만 이를 통해 행성 형성과 진화에 대해 연구할 기회를 얻을 수 있다"고 말했다.

지금까지 확인된 성간 천체는 2017년의 오우무아무아(1I/Oumuamua) 2019년의 보리소프 혜성(2I/Borisov), 지난해 발견된 3I/ATLAS 등 3개뿐이다.

연구팀은 성간 천체는 다른 항성계에서 형성된 물질을 가까운 거리에서 직접 분석할 수 있는 거의 유일한 기회를 준다며 오우무아무아는 기체가 검출되지 않았고 보리소프 혜성은 너무 어두워 동위원소 측정이 불가능했었다고 지적했다.

이들은 이 연구에서 유럽남방천문대(ESO) 초거대망원경(VLT)에 장착된 자외선·가시광선 에셸 분광기(UVES)로 3I/ATLAS 혜성 주변 기체에 있는 시안화물(CN) 분자의 스펙트럼을 관측해 탄소(12C/13C)와 질소(14N/15N) 동위원소 비율을 측정했다.

3I/ATLAS는 기체가 검출하지 않은 오우무아무아나 너무 희미했던 보리소프 혜성과 달리 태양에 접근하는 과정에서 발견돼 전례 없이 밝은 상태로 태양계에 오래 머물렀기 때문에 상세한 관측이 가능했다.

동위원소 비율은 천체가 형성된 환경의 온도와 복사 환경에 매우 민감하지만, 형성 이후에는 크게 변하지 않아 천체의 기원을 추적하는 중요한 지표로 사용된다.

측정 결과 탄소 동위원소 비율(12C/13C)은 151, 질소 동위원소 비율(14N/15N)은 363으로 태양계 혜성에서 일반적으로 측정되는 탄소 동위원소 비율(약 90)과 질소 동위원소 비율(약 150)보다 훨씬 높은 것으로 확인됐다.

연구팀은 이런 높은 동위원소 비율은 3I/ATLAS가 태양계와는 다른 환경에서 형성됐음을 보여준다며 특히 질소 동위원소 비율은 성간물질이나 원시별, 원시행성 원반 바깥 영역에서 관측되는 값과 비슷해 이 혜성이 별에서 비교적 먼 거리에서 형성됐음을 시사한다고 설명했다.

또 탄소 동위원소 비율은 은하 화학 진화 모형에서 예측하는 저금속함량(low metallicity)의 오래된 별 주변 환경과 잘 일치하는 것으로 나타났다.

금속함량이 낮다는 것은 별 구성 물질에서 헬륨보다 무거운 원소의 함량이 적다는 의미로, 이런 별은 우주가 지금보다 훨씬 젊고 화학적으로 덜 풍부했던 시기에 형성된 것으로 여겨진다.

연구팀은 앞서 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 수행된 다른 연구에서도 3I/ATLAS의 이산화탄소(CO₂)와 일산화탄소(CO)에서 높은 탄소 동위원소 비율이 확인됐다며 이 연구 결과는 이 혜성이 태양보다 훨씬 오래된 금속 함량이 낮은별 주변에서 형성됐음을 시사한다고 말했다.

논문 공동 저자인 헬싱키대 로즈메리 도시 박사는 "연구 결과를 종합하면 3I/ATLAS의 나이는 47억년 정도로 추정되는 태양의 두 배 이상일 가능성이 크다"며 "3I/ATLAS는 태양과 태양계 존재 훨씬 이전에 형성된 다른 행성계의 조성을 연구할 수 있는 매우 흥미로운 기회를 제공한다"고 말했다.

◆ 출처 : Nature Astronomy, Cyrielle Opitom et al., 'High nitrogen and carbon isotopic ratios in the interstellar comet 3I/ATLAS', http://dx.doi.org/10.1038/s41550-026-02921-7

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