화가자리 베타, 먼지 원반과 외계행성의 별

1984년 처음 사진에 찍힌 먼지 원반, 원반의 휘어짐이 예고한 행성 b와 별의 흔들림으로 찾은 행성 c, 수백 개의 외계 혜성과 20년 사이 사라진 충돌 먼지까지. 화가자리 베타별의 발견사와 한국에서의 관측 조건을 정리했다.

옆에서 본 베타 픽토리스의 먼지 원반과 거대 가스 행성

1984년, 칠레 라스캄파나스 천문대의 100인치 듀폰 망원경 앞에서 두 천문학자가 별 하나를 일부러 가렸다. 별빛을 막는 작은 가림판 뒤로 드러난 것은 별 양옆으로 길게 뻗은 가느다란 빛의 띠였다.

그 별은 남쪽 하늘의 작고 어두운 별자리, 화가자리에 속한 3.86등급 별 베타 픽토리스(β Pictoris)였다. 18세기 프랑스 천문학자가 이젤 그림 속 점 하나로 찍어 둔 평범한 별이 어떻게 행성이 태어나는 현장을 들여다보는 창이 되었을까. 흥미로운 건 이 빛의 띠가 그 뒤 40년 동안 천문학자들에게 계속 다음 단서를 건넸다는 점이다.

---

목차

• 이젤에서 화가로 - 라카유가 남긴 이름
• 1984년, 처음 사진에 찍힌 다른 별의 먼지 원반
• 먼지는 왜 아직 사라지지 않았을까
• 원반의 비틀림이 먼저 알려준 행성 b
• 흔들림으로 찾고 빛으로 확인한 행성 c
• 별을 향해 떨어지는 혜성들
• 화가자리의 다른 별들과 볼거리
• 한국에서 베타 픽토리스를 볼 수 있을까
• 한눈에 보는 핵심 정리
• FAQ
• 참고자료

---

이젤에서 화가로 - 라카유가 남긴 이름

화가자리에는 그리스 신화가 한 줄도 없다. 이 별자리는 1750년대 프랑스 천문학자 니콜라 루이 드 라카유가 남아프리카 희망봉에 2년 가까이 머물며 남쪽 하늘의 별 약 1만 개를 목록으로 만들던 중 새로 그려 넣은 것이다.

라카유가 1756년 처음 붙인 이름은 프랑스어 '르 슈발레 에 라 팔레트(le Chevalet et la Palette)', 즉 '이젤과 팔레트'였다. 1763년에 펴낸 남천 성도에서는 라틴어 Equuleus Pictoris로 바뀌었다. Equuleus는 '작은 말, 망아지'라는 뜻인데 그림 받침대를 가리키는 말로도 쓰였고, 화가들이 당나귀 등에 캔버스를 싣고 다니던 옛 관습에서 나온 표현이라는 설명이 전한다.

19세기에 들어 북쪽 하늘의 망아지자리(Equuleus)와 헷갈린다는 이유로 앞부분이 떨어져 나가고 Pictor만 남았다. Pictor는 '화가'라는 뜻이다. 한국어 이름 '화가자리'는 이 줄어든 이름을 옮긴 것이어서, 라카유가 원래 하늘에 올린 것이 화가가 아니라 화가의 도구였다는 사실은 이름에서 지워졌다.

희망봉 관측소에서 남쪽 별을 기록하는 화가자리의 창안자 라카유

라카유가 희망봉에서 만든 14개 별자리는 테이블산자리 하나를 빼면 모두 망원경·시계·현미경처럼 계몽주의 시대의 도구를 기렸다. 그 가운데 이젤과 팔레트는 과학이 아니라 예술의 도구라는 점에서 눈에 띈다. 넓이는 247제곱도로 88개 별자리 중 59위, 6.5등급보다 밝은 별은 49개뿐인 소박한 별자리다.

---

1984년, 처음 사진에 찍힌 다른 별의 먼지 원반

이 평범한 별이 주목받기 시작한 계기는 지상 망원경이 아니라 적외선 위성이었다. 1983년 발사된 적외선천문위성 IRAS는 베타 픽토리스에서 별 자체가 낼 수 있는 양보다 훨씬 강한 적외선을 잡아냈다. 별 주위의 차가운 먼지가 별빛에 데워진 뒤 적외선으로 다시 내뿜는다는 해석이 나왔다.

같은 시기 비슷한 '적외선 초과'가 확인된 베가, 포말하우트, 에리다누스자리 엡실론과 함께 이 별은 이른바 '팹 포(Fabulous Four)'로 묶였다. 하지만 적외선 수치만으로는 먼지가 어떤 모양으로 퍼져 있는지 알 수 없었다.

애리조나대학의 브래드퍼드 스미스와 NASA 제트추진연구소의 리처드 테릴은 1984년 라스캄파나스 천문대의 100인치(약 2.5m) 듀폰 망원경에 코로나그래프와 CCD 카메라를 달고 IRAS 후보 별들을 직접 찍었다. 코로나그래프는 별 한가운데를 가려 눈부신 별빛 때문에 묻혀 있던 희미한 주변부를 드러내는 장치다. 결과는 같은 해 학술지 《사이언스》 226권에 실렸고, 태양이 아닌 별 주위의 원반을 처음으로 분명히 찍은 사진으로 기록됐다.

베타 픽토리스 원반을 처음 찍은 라스캄파나스 천문대 망원경 돔

사진 속 원반은 둥근 고리가 아니라 별을 가로지르는 가느다란 막대처럼 보였다. 우리가 원반을 거의 정확히 옆에서, 가장자리 방향으로 보고 있기 때문이다. 이후 관측에서 원반은 별에서 약 1,800AU까지 추적됐다. 태양과 지구 사이 거리의 1,800배, 해왕성 궤도 반지름의 60배쯤 되는 크기다.

---

먼지는 왜 아직 사라지지 않았을까

여기서 이상한 점이 하나 생긴다. 베타 픽토리스는 태어난 지 약 2천만 년 된 젊은 별인데, 원반의 미세한 먼지는 그보다 훨씬 짧은 시간 안에 사라져야 정상이다.

UCLA의 행성과학자 데이비드 주잇은 눈에 보이는 먼지의 수명을 약 10만 년으로 추정했다. 별 나이의 200분의 1에 불과하다. 별빛의 압력이 작은 알갱이를 바깥으로 밀어내고, 알갱이끼리 부딪쳐 더 잘게 부서지기 때문이다.

그런데도 먼지가 남아 있다면 누군가 계속 새로 만들고 있다는 뜻이다. 천문학자들의 결론은 원반 안에 눈에 보이지 않는 소행성·혜성 같은 미행성체가 무수히 있고, 이들이 충돌하며 먼지를 끊임없이 보충한다는 것이었다. 별이 태어날 때 남은 가스·먼지 원반인 원시행성원반과 구별해 이런 원반을 잔해 원반(debris disk)이라 부르며, 베타 픽토리스는 그 대표 사례가 됐다.

2024년에는 그 충돌이 지금도 벌어지고 있다는 증거가 나왔다. 존스홉킨스대학 크리스틴 첸 연구팀은 2023년 1월 제임스 웹 우주망원경의 중적외선 분광기로 얻은 스펙트럼을 2004~2005년 스피처 우주망원경 자료와 나란히 놓았다. 20년 전 뚜렷하던 결정질 감람석(포스터라이트) 먼지의 신호가 웹 자료에서는 사라져 있었다.

연구팀은 약 20년 전 큰 천체끼리 부딪쳐 생긴 먼지 구름이 그사이 별빛의 압력에 밀려 행성계 밖으로 흩어졌다고 해석했다. 한 사람의 연구 경력 안에서 다른 별의 행성계가 눈에 띄게 달라진 셈이다.

---

원반의 비틀림이 먼저 알려준 행성 b

원반은 먼지가 있다는 사실만 알려준 게 아니었다. 1990년대 허블 우주망원경 관측에서 원반 안쪽이 바깥쪽보다 몇 도 기울어진 '휘어짐(warp)'이 확인됐다. 이를 설명하려면 원반과 약간 어긋난 궤도를 도는 무거운 행성이 안쪽 원반을 잡아당기고 있어야 한다는 계산이 나왔다.

그 행성은 사실 이미 찍혀 있었다. 프랑스 그르노블 천체물리연구소의 안마리 라그랑주 연구팀은 2003년 유럽남방천문대 VLT의 적응광학 카메라 NACO로 얻은 영상을 다시 분석해 별에 아주 가까운 희미한 점 하나를 찾아냈고, 2008년 행성 후보로 발표했다. 2009년 이 점이 별의 반대편으로 옮겨간 모습이 잡히면서 실제로 별을 도는 행성임이 확정됐다.

베타 픽토리스 b는 별에서 9에서 10AU 사이, 태양계로 치면 토성 궤도쯤을 돈다. 한 바퀴 도는 데 20년 남짓 걸린다. 질량은 목성의 9배에서 13배 사이로 추정되지만 정확한 값은 아직 좁혀지지 않았다. 바깥쪽을 느리게 도는 행성이라 별을 흔드는 효과가 작고, 그 흔들림을 재려면 공전 주기에 맞먹는 긴 관측이 필요하기 때문이다.

이후 측정에서 b의 궤도는 휘어진 안쪽 원반과 대체로 같은 방향으로 기울어 있는 것으로 나타났다. 원반의 모양을 보고 예측한 행성이 실제 사진 속 행성과 들어맞은 드문 사례다.

---

흔들림으로 찾고 빛으로 확인한 행성 c

두 번째 행성은 정반대의 방법으로 모습을 드러냈다. 2019년 라그랑주 연구팀은 칠레 라실라 천문대의 HARPS 분광기로 2003년부터 쌓아온 자료에서, 별이 지구 쪽으로 다가왔다 멀어지기를 약 3.4년 주기로 반복하는 신호를 찾아냈다.

이 방법을 시선속도법이라 한다. 행성이 별을 당기면 별도 행성과의 공통 무게중심을 따라 미세하게 흔들리고, 그 흔들림이 별빛의 파장을 아주 조금 늘였다 줄인다. 시선속도법은 별에 가까운 행성에 강하고, 직접 촬영은 별에서 멀리 떨어진 행성에 강하다. b는 사진으로, c는 흔들림으로 찾았으니 한 별에서 두 방법이 서로의 빈자리를 채운 셈이다.

2020년에는 c도 '보였다'. VLT의 망원경 4대 빛을 하나로 합치는 간섭계 장비 GRAVITY가 별 바로 옆의 c를 직접 검출했다. 시선속도법으로 찾은 행성을 직접 영상으로 확인한 첫 사례였다.

베타 픽토리스 c의 질량은 목성의 약 7.8배, 궤도 반지름은 약 2.7AU다. 태양계에 놓으면 화성과 목성 사이 소행성대쯤이다. 질량과 밝기를 한 행성에서 동시에 잴 수 있게 되면서 행성이 어떻게 만들어지고 식어 가는지를 검증하는 기준점이 생겼다. 뜻밖에도 c는 질량이 비슷한 b보다 약 6배 어두웠다.

---

별을 향해 떨어지는 혜성들

베타 픽토리스의 스펙트럼에는 1980년대부터 설명하기 어려운 흔적이 있었다. 칼슘 흡수선 옆에 몇 시간에서 며칠 사이 나타났다 사라지는 작은 흡수 무늬가 반복해서 보였고, 그중 상당수는 별 쪽으로 떨어지는 방향으로 움직이고 있었다.

천문학자들은 별에 바짝 다가가며 증발하는 혜성 같은 천체가 우리 시선을 가로지를 때 생기는 흔적이라고 보았다. 원반을 옆에서 보는 각도 덕분에 이런 통과가 마침 우리 눈높이에 걸린다.

2014년 파리천체물리연구소의 플라비앵 키퍼 연구팀은 2003~2011년 HARPS로 얻은 스펙트럼 1,106장을 분석해 493개의 개별 외계 혜성을 가려냈다. 이들은 두 무리로 뚜렷하게 나뉘었다.

• 별 근처를 여러 번 지나며 얼음이 대부분 빠져나간 오래된 혜성 무리. 거대 행성의 중력이 이들의 궤도를 조종하는 것으로 해석됐다.
• 훨씬 활발하게 가스를 내뿜고 거의 같은 궤도를 공유하는 무리. 큰 천체 하나 또는 몇 개가 최근 부서진 조각으로 해석됐다.

베타 픽토리스 앞을 지나며 증발하는 외계 혜성들

마지막 확인은 별빛의 밝기에서 왔다. 2018년 10월부터 2019년 2월까지 TESS 위성이 기록한 밝기 자료에서, 별빛이 한쪽으로 기울어진 모양으로 살짝 어두워졌다 회복되는 현상 세 건이 포착됐다. 꼬리를 길게 끄는 혜성이 별 앞을 지날 때 나올 것으로 예측된 바로 그 모양이었다. 이후 추가 분석에서 이런 통과는 30건으로 늘었다.

---

화가자리의 다른 별들과 볼거리

베타별을 떼어 놓으면 화가자리는 꽤 쓸쓸한 별자리다. 가장 밝은 알파별(α Pic)도 3.3등급이며, 약 97광년 떨어진 백색 주계열성이다. 겉보기 자전 속도가 초속 200km를 넘을 만큼 빠르게 돈다.

알파별, 베타별(3.86등급, 약 63광년), 감마별(약 4.5등급)이 짧게 꺾인 선을 이루는데, 이것이 맨눈으로 그릴 수 있는 화가자리 윤곽의 거의 전부다. 라카유가 붙인 그리스 문자 이름도 알파부터 뉴까지 10개뿐이다.

아마추어 망원경으로 찾아볼 만한 성단·성운·은하는 사실상 없다. 전파천문학에서는 거대한 제트를 뿜는 전파은하 '픽터 A'가 이 방향에 있지만 눈으로 보는 관측 대상은 아니다. 대신 개성 있는 별 두 개가 있다.

• 카프테인 별 - 약 12.8광년 거리의 적색왜성으로, 1897년 네덜란드 천문학자 야코뷔스 카프테인이 발견했다. 태양 근처 별들 대부분과 반대 방향으로 은하 중심을 도는 역행 궤도로 유명하다. 8.9등급이라 쌍안경이나 소형 망원경이 필요하다.
• RR 픽토리스 - 1925년 갑자기 1.2등급까지 밝아졌던 신성이다. 지금은 다시 어두워져 맨눈으로는 보이지 않는다.

---

한국에서 베타 픽토리스를 볼 수 있을까

베타 픽토리스가 한국 하늘에서 얼마나 높이 뜨는지는 간단한 뺄셈으로 알 수 있다. 별이 정남쪽에 왔을 때의 최대 고도는 '90도 − 관측지 위도 − 별의 남쪽 적위'다. 베타 픽토리스의 적위는 약 −51.1도이므로, 북위 37.6도인 서울에서는 고도 1.4도 남짓에 그친다. 지평선 바로 위는 두꺼운 대기가 별빛을 크게 깎아 먹기 때문에 4등급 별이 그 높이에서 보이기는 사실상 어렵다.

비교하기 좋은 별이 있다. 제주에서 겨울에 보는 남쪽 하늘의 노인성, 용골자리 카노푸스다. 카노푸스의 적위는 약 −52.7도로 베타 픽토리스와 2도도 차이 나지 않는다. 서귀포(북위 약 33.2도)에서 카노푸스는 고도 약 4도까지 오르고, 베타 픽토리스는 약 5.7도까지 올라온다.

문제는 밝기다. 카노푸스는 −0.7등급으로 밤하늘에서 두 번째로 밝은 별이지만, 베타별은 그보다 약 70배 어둡다. 노인성은 수평선 근처에서도 보이지만 베타별은 같은 높이에서 거의 묻힌다.

제주 남쪽 바다 수평선에 낮게 걸린 노인성과 화가자리 하늘

그래도 시도해 보고 싶다면 조건은 이렇다.

• 시기와 시간: 1월과 2월, 밤 9시에서 10시 무렵 별이 정남쪽에 올 때
• 장소: 제주 남부처럼 남쪽 수평선이 바다로 탁 트인 곳
• 찾는 법: 카노푸스에서 오른쪽(서쪽)으로 약 6도, 쌍안경으로 훑기
• 난이도: 매우 어려움. 수평선 연무가 적은 맑은 날에만 가능성이 있다

제대로 보려면 더 남쪽으로 가야 한다. 북위 20도 이남이라면 고도가 20도 가까이 올라와 맨눈으로도 어렵지 않게 찾을 수 있고, 남반구에서는 머리 위 높이 뜨는 별이 된다.

---

한눈에 보는 핵심 정리

• 화가자리는 1756년 라카유가 '이젤과 팔레트'로 만든 근대 별자리로, 신화가 없다. 넓이 247제곱도, 88개 중 59위.
• 베타 픽토리스는 약 63광년 거리, 3.86등급, 나이 약 2천만 년의 젊은 별이다.
• 1984년 스미스와 테릴이 다른 별 주위의 먼지 원반을 처음 분명히 촬영했다.
• 먼지는 수명이 짧아 미행성체 충돌로 계속 보충되며, 2024년 웹 망원경이 20년 사이 사라진 충돌 먼지를 확인했다.
• 행성 b(약 9~10AU)는 직접 촬영으로, 행성 c(약 2.7AU, 목성의 약 7.8배)는 시선속도법으로 찾은 뒤 GRAVITY로 직접 확인했다.
• 외계 혜성 493개가 두 무리로 나뉘어 확인됐고, TESS가 밝기 변화로 혜성 통과를 포착했다.
• 한국에서는 서울 고도 1.4도, 서귀포 약 5.7도로 관측이 매우 어렵다.

---

FAQ

Q. 베타 픽토리스의 원반을 개인 망원경으로 볼 수 있나요?
볼 수 없다. 원반은 별보다 훨씬 어둡고 별 바로 옆에 붙어 있어, 별빛을 가리는 코로나그래프와 대형 망원경이 있어야 드러난다. 아마추어 망원경으로 보이는 것은 하얀 별 하나뿐이다.

Q. '베타 픽토리스 운동성단'은 무엇인가요?
베타 픽토리스와 같은 방향, 같은 속도로 우주 공간을 움직이는 젊은 별들의 무리다. 현미경자리 AU, 에리다누스자리 51 같은 별이 여기에 속한다. 함께 태어난 형제 별들로 보기 때문에, 무리 전체의 움직임과 밝기를 분석해 베타 픽토리스의 나이(약 2천만 년)를 추정하는 근거로 쓰인다.

Q. 베타 픽토리스 b나 c에 생명이 살 수 있나요?
가능성은 사실상 없다. 두 행성 모두 목성보다 몇 배 무거운 가스 행성이고, 태어난 지 얼마 되지 않아 아직 내부 열로 뜨겁다. 단단한 표면도 없다. 이 행성들의 가치는 생명이 아니라, 행성이 태어난 직후의 모습을 보여준다는 데 있다.

Q. 우리 태양계도 이런 시기를 거쳤나요?
그렇게 보는 것이 일반적이다. 태양계의 소행성대와 카이퍼대는 행성이 되지 못한 미행성체가 남은 곳이고, 초기에는 지금보다 훨씬 잦은 충돌이 있었다. 거대한 천체가 원시 지구에 부딪쳐 달이 생겼다는 거대 충돌설도 이런 시기를 전제로 한 가설이다.

---

참고자료

• Smith, B. A. & Terrile, R. J. (1984). "A Circumstellar Disk Around β Pictoris." Science, 226, 1421–1424.
• Carnegie Science 라스캄파나스 천문대(LCO), 듀폰 망원경 과학 성과 소개 페이지
• Lagrange, A.-M. et al. (2010). "A Giant Planet Imaged in the Disk of the Young Star β Pictoris." Science, 329, 57–59.
• Lagrange, A.-M. et al. (2019). "Evidence for an additional planet in the β Pictoris system." Nature Astronomy, 3, 1135–1142.
• Lagrange, A.-M. et al. (2020). "Unveiling the β Pictoris system, coupling high contrast imaging, interferometric, and radial velocity data." Astronomy & Astrophysics, 642, A18.
• Kiefer, F. et al. (2014). "Two families of exocomets in the β Pictoris system." Nature, 514, 462–464.
• Zieba, S. et al. (2019). "Transiting exocomets detected in broadband light by TESS in the β Pictoris system." Astronomy & Astrophysics, 625, L13.
• Chen, C. H. et al. (2024). "MIRI MRS Observations of Beta Pictoris. II. The Spectroscopic Case for a Recent Giant Collision." The Astrophysical Journal, 973, 139.
• David Jewitt, UCLA, "Beta Pictoris: A Main-Sequence Disk" 해설 페이지
• Nicolas-Louis de Lacaille (1763). Coelum Australe Stelliferum.
• IAU(국제천문연맹), The Constellations - Pictor