태양계에서 가장 밀도가 높은 행성은 지구로, 그 밀도는 약 5.52g/㎤이다. 하지만 태양계 밖에서는 이보다 훨씬 다양한 밀도를 가진 외계 행성들이 존재한다. 솜사탕처럼 가벼운 가스 행성부터 지구보다 단단한 슈퍼 지구형 행성까지 그 스펙트럼은 매우 넓다.

최근 스위스 제네바 대학의 멜리사 홉슨이 이끄는 연구팀은 지구에서 195광년 떨어진 별 TOI-2322 주변에서 역대 가장 높은 밀도를 가진 외계 행성을 발견했다. 이 행성은 TOI-2322c로, 그 밀도가 무려 14.69g/㎤에 달한다. 지구의 밀도보다 거의 3배나 높으며, 심지어 납(11.34g/㎤)보다도 높은 수치다.

연구팀은 NASA의 외계 행성 탐사 위성 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)가 2018년부터 2023년까지 관측한 데이터를 분석했다. TESS는 행성이 별 앞을 가로질러 지나갈 때 발생하는 주기적인 별빛 감소를 통해 행성의 존재를 포착한다.

연구팀은 TESS의 데이터와 유럽 남방 천문대(ESO)의 초대형 망원경(VLT)에 설치된 에스프레소(ESPRESSO) 장비를 활용해 TOI-2322 주변을 정밀하게 분석했다. 에스프레소는 별의 미세한 흔들림을 측정하는 시선 속도법(radial velocity method)을 사용해 행성의 질량을 추정한다. 이 두 가지 관측 방법을 결합하여 TOI-2322 주변에 두 개의 암석 행성이 있다는 사실을 확인했다.

두 행성 중 안쪽에 있는 TOI-2322b는 지구 질량의 2.03배이며 공전 주기는 11.3일이다. 바깥쪽에 있는 TOI-2322c는 지구 질량의 18배에 달하는 거대한 슈퍼 지구형 행성이지만, 지름은 지구의 1.87배에 불과하다. 이처럼 작은 크기에 비해 엄청난 질량을 가져 밀도가 매우 높게 나타난 것이다.





과학자들은 TOI-2322c가 납보다 밀도가 높은 특이한 원소로만 이루어졌을 가능성은 낮다고 본다. 대신, 철과 니켈이 풍부한 거대한 금속 핵을 가지고 있을 가능성이 높고 행성의 막대한 중력에 의해 구성 물질이 강하게 압축돼 밀도가 더욱 높아진 것으로 추정된다.

TOI-2322c의 발견은 우주에 존재하는 행성들이 얼마나 다양한 물리적 특성을 가질 수 있는지 보여주는 중요한 사례다. TESS는 2018년 이후 20만개의 별을 관측하며 7600개의 행성 후보를 찾아냈고, 그 중 686개를 외계 행성으로 확정했다. 앞으로도 TESS가 포착한 수많은 후보들을 분석하면 TOI-2322c처럼 극단적인 형태의 외계 행성이나 지구와 매우 유사한 행성들이 추가로 발견될 것으로 기대된다.