외계행성 관측하면 실제로 어떻게 보일까?
외계행성 관측하면 실제로 어떻게 보일까?
  • 함예솔
  • 승인 2019.11.16 09:10
  • 조회수 4559
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켄타우루스(Centaurus)자리의 프록시마성 궤도의 암석형 행성들은 '액체 상태 물' 존재 가능해. 출처: NASA, ESA, G. Bacon (STSc)
켄타우루스(Centaurus) 자리의 프록시마성 궤도의 암석형 행성들은 '액체 상태 물' 존재 가능. 출처: NASA, ESA, G. Bacon (STSc)

지금까지 발견된 가장 가까운 외계행성은 지구에서 4.2광년 떨어진 '프록시마 센터우리(Proxima Centauri)'에 있는 '프록시마b(Proxima b)'라는 행성입니다. 이렇게 외계행성은 주로 지구로부터 멀리 떨어져 있고 이 행성들은 자신들이 공전하는 항성의 밝은 빛에 가려지기 일쑤입니다. 그래서 목성이나 금성이 사진을 찍는 것과 같은 방식으로 이 행성들을 포착하는 건 쉽지 않습니다.

 

천문학자들이 외계행성을 이미지화하려고 할 때 직면하는 가장 큰 문제는 행성보다 수백만 배 더 밝다는 겁니다. 행성에서 반사되는 빛이나 열 복사(heat rediation)는 모항성으로부터 나오는 엄청난 양의 복사선에 의해 감지되지 않게 됩니다. 이는 마치 환한 조명등을 날아다니는 반딧불이를 보려는 것과 같습니다. 그래서 외계행성을 관측하려면 새롭고 진보된 기술이 필요합니다.


궤도를 돌고 있는 4개의 외계행성

출처: Jason Wang and Christian Marois
젊은 항성 HR 8799 주위를 행성들이 돌고있다. 출처: Jason Wang and Christian Marois

위 영상의 중심에 보이는 검은색 원 모양은 항성의 빛을 차단해 행성을 관측하고 분석하기 위한 노력의 일환입니다. 목성보다 큰 네 개의 행성이 젊은 항성 HR 8799 주위를 여러 궤도로 공전하고 있습니다. 이는 하와이에 있는 W.M.켓천문대(W.M. Keck observatory)에서 7년 간 찍은 사진들을 포함하고 있습니다.

 

이 사진들은 처음에 캐나다국립연구회(NRC, National Research Council)의 헤르츠베르크 천체물리학 연구소의 Christian Marois 박사가 포착했습니다. 영상은 NASA의 외계생명체 탐사 프로젝트인 NExSS(Nexus for Exoplanet System Science)의 Jason Wang에 의해 만들어졌습니다. 참고로 NExSS는 지구과학, 행성, 태양계 물리학 등 각 분야의 과학자와 대학, 연구기관이 협력해 생명이 존재할 가능성이 있는 외계행성을 발견하고 효율적으로 분류하는 시스템을 구축하려는 목표로 설립됐습니다.  

출처: NASA/ESA/P. Kalas, University of California, Berkeley and SETI Institute)
포말하우트(Fomalhaut) 항성을 돌고 있는 행성의 직접 가시화(direct imaging)한 영상. 출처: NASA/ESA/P. Kalas, University of California, Berkeley and SETI Institute)

항성인 HR 879는 외계행성의 직접적으로 이미지화(imaging)를 하는데 지속적으로 선구적인 역할을 해왔습니다. 2008년, Marois박사 연구진은 처음으로 직접 이미지화 하는 기법을 이용해 4개의 HR 8799 행성 중 3개를 발견했다고 발표했습니다. 같은 날 다른 팀이 포말하우트(Fomalhaut) 항성을 돌고 있는 행성의 직접 가시화(direct imaging)한 영상을 발표했습니다.

  • 포말하우트(Fomalhaut)

포말하우트(Fomalhaut)는 가을 별자리 중 하나인 남쪽물고기자리에서 가장 밝게 빛나는 별입니다. 겉보기 등급은 1.2등급이며 표면온도는 약 9000도의 주계열성입니다. 지구로부터 22광년 떨어진 곳에 있습니다.

최초의 외계행성 이미지

직접 가시화(direct imaging)한 최초의 외계행성은 목성보다 무려 4배나 더 큰 2M1207b 행성. 출처: ESO
직접 가시화(direct imaging)한 최초의 외계행성은 목성보다 무려 4배나 더 큰 2M1207b 행성. 출처: ESO

2004년 직접 가시화(direct imaging)한 최초의 외계행성은 목성보다 무려 4배나 더 큰 2M1207b 행성이었습니다. 유럽남방천문대(European Southern Observatory, EOS) 천문학자들은 칠레에 있는 거대망원경 VLT(Very Large Telescope)을 이용했는데요. 이 합성 이미지는 공식적으로 '2MASS J12073346-3932539 b'라고 알려진 행성입니다. 위 이미지에서 왼쪽 아래 붉은색 점으로 보이는 것이 바로 이 행성인데요. 중앙에 있는 푸른색 점은 이 행성이 돌고 있는 갈색왜성(brown dwarf) '2M1207'이라고 하네요.

  • 갈색왜성

별이 태어났을 때의 초기질량은 항성이 될 수 있는 최소 질량을 정해줍니다. 이는 현재 태양 질량의 7% 정도로, 이보다 작은 초기질량의 경우에는 별은 주계열성이 되지 못하고, 수소 핵융합을 못하는 갈색왜성이 됩니다.

이 외계행성은 항성이 되지 못한 갈색왜성 주위를 태양-지구 사이의 거리보다 55배 더 먼 거리에서 궤도를 그리며 돌고 있는데요. 이는 태양-해왕성 사이의 거리보다도 거의 2배 가까이 먼 거리라고 하네요. 별에서 멀리 떨어진 행성들은 별에서 나오는 빛에 덜 가려지기 때문에 직접 이미지를 포착하기가 더 수월하다고 합니다. 2M1207 시스템은 지구에서 170광년 떨어진 히드라 별자리(constellation of Hydra)에 있다고 하는데요. 이 사진은 3개의 근적외선(near-infrared) 노출을 기반으로 합니다.

'2M1207' 갈색왜성. 출처: NASA/STScI
2M1207b 상상도. 목성의 4배 질량이고 갈색 왜성으로부터 50억 마일 떨어진 궤도를 도는 행성이다. 출처: NASA/STScI

이후 10년 넘게 천문학자들은 허블우주망원경을 이용해 이곳을 자세히 살펴보았습니다. 그 관측을 바탕으로 과학자들은 행성의 모습을 유추할 수 있었습니다. 허블망원경의 이미지는 안정적, 고해상도, 고대비 이미지(high-contrast imaging)이기 때문에 과학자들은 이 행성이 공전함에 따라 변화하는 밝기를 정밀하게 측정할 수 있었습니다. 연구원들은 이 밝기 변화를 이 행성 대기에 있는 복잡한 구름 패턴 때문일 수 있다고 추측했는데요. 허블망원경은 이 구름의 존재를 확인할 뿐만 아니라 구름의 층이 고르지 못하고 색이 없다는 걸 관측해냈습니다.


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