외계행성 찾는 5가지 방법
외계행성 찾는 5가지 방법
  • 함예솔
  • 승인 2019.12.10 19:20
  • 조회수 2297
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외계인을 찾으려면 어떻게 해야할까요? 우선 외계생명체가 살 수 있을 만한 행성부터 찾아봐야 겠죠? 

이 영상은 항성 주위를 공전하는 '외계행성'의 현황이라고 합니다. 태양계 밖의 행성들을 외계행성이라고 칭하는데요. 위 영상은 2009년 케플러 우주망원경이 가동된 이후 2013년까지 발견된 외계행성을 일일이 정리해 만들어진 것이라고 합니다. 당시까지 발견된 외계행성은 총 1,705개의 행성과 항성계 685개였다고 합니다. 현재에는 공식적으로 확인된 외계행성만 4천개 가까이된다고 합니다. 참고로 행성계는 항성과 항성을 공전하는 행성들의 생태계를 일컫습니다. 영상 속 좌측 상단엔 행성의 크기와 온도를 척도로 보여주는데요. 색이 푸를수록 지구와 비슷한 온도이고 빨개질수록 뜨거운 행성입니다. 그렇다면 과학자들은 이 많은 외계행성들을 어떻게 발견한 걸까요? 

 

항성과 행성 사이 중력 이용하는 '시선속도법(Radial velocity)'

 

행성과 항성 사이의 중력적인 상호작용을 이해하는 방법은 바로 항성과 행성이 줄다리기 게임을 하고 있다고 상상하는 겁니다. 한 쪽에 정말로 강한 중력장을 가진 거대한 천체인 항성이 있습니다. 그 반대편에는 훨씬 더 사이즈도 작고 중력은 더 적은 행성이 놓여있습니다. 참고로 중력장은 질량을 가진 물체가 다른 질량체에 미치는 중력의 작용을 나타냅니다. 

시선속도법(Radial velocity). 출처: NASA

위 영상을 처음보면 평범해 보입니다. 큰 항성과 작은 행성이 있고 작은 행성은 커다란 항성 주위를 돕니다. 그런데 항성을 자세히 봐주세요. 약간 흔들리는 것처럼 보이지 않으시나요? 이 영상은 효과가 좀 과장돼 있긴 하지만 우주에서 실제로 일어나고 있는 일입니다. 행성의 중력은 항성을 약간 흔들리게 만듭니다. 행성이 클수록 항성에 미치는 영향은 더 커집니다. 지구처럼 조그만 행성은 태양과 같은 자신의 모항성을 아주 조금만 흔들리게 합니다. 하지만 목성과 같이 크기가 더 큰 행성들은 훨씬 더 강한 영향을 미치죠. 따라서 항성의 흔들림은 우리에게 그 항성이 가지고 있는 행성에 관한 정보를 주는데요. 몇 개의 행성이 있는지, 그 행성들은 얼마나 큰지 힌트를 발견할 수 있습니다. 

그림 5 : 시선속도법을 이용한 관측
그림 5 : 시선속도법을 이용한 관측

그렇다면 흔들리는 항성은 어떻게 관측할 수 있을까요? 이렇게 행성의 중력으로 미세하게 흔들리는 항성을 찾아내는 방법을 '도플러 편이(Doppler shifts)'라고 합니다. 이 효과는 1842년 오스트리아 과학자 도플러(Doppler, Christian Johann; 1803~1853)가 발견해 그의 이름을 따서 지어졌는데요. 음파, 전파, 열, 빛 등의 에너지가 파동을 가지고 움직일 때 이 파동은 물체의 움직임에 따라 늘어나거나 짧아질 수 있는데요. 소리를 내는 장치와 소리를 듣는 대상은 각각 서 있을 때와 가까워질 때, 그리고 멀어질 때의 음높이가 전부 다릅니다. 이를 도플러 효과(Doppler effect)라고 하죠. 길에 지나가는 앰뷸런스 소리가 이웃님과 가까워질수록 음의 높이가 올리가고 멀어질수록 음의 높이가 낮아지는 걸 경험한 적 있으신가요? 이것이 바로 대표적인 도플러 효과입니다. 

 

이런 현상이 발생하는 이유는 에너지를 방출하는 물체가 이웃님과 가까워지면 파동이 뭉쳐져 같이 찌그러지기 때문인데요. 이웃님으로부터 물체가 멀어지면 파동은 길어집니다.  이때 에너지를 방출하는 물체는 위에서 말한 엠뷸런스나 거대하게 타오르는 항성이겠죠. 이러한 파장의 변화는 우리가 보고 있거다 듣고 있는 에너지를 인식하는 방법을 바꿉니다. 음파가 찌그러지면 소리는 더 높게 들리고 가시광선 파장일 경우에는 더 파랗게 보입니다. 반면 음파가 길어지면 음이 낮아지고 가시광선 파장에서는 더 붉은색으로 보이게 됩니다. 이러한 색의 변화를 ‘적색편이(redshift)’라고 부르는데요. 과학자들은 이를 보고 그 천체가 우리 쪽으로 움직이고 있는지 멀어지는지 알아볼 수 있습니다.  

파장 색이 달라지는거 보이시나요? 출처: NASA

위 사진은 이 방법에 따라 작동하는걸 볼 수 있습니다. 행성은 항성을 궤도에서 흔들리게 하고 행성이 이리저리 움직이며 빛의 파동은 압축됐다가 뻗어나갑니다. 그래서 우리가 보는 빛의 색을 바꿉니다.

최초로 발견된 외계행성 51 Pegasi b(페가수스자리 41b). 출처: NASA/JPL-Caltech
최초로 발견된 외계행성 51 Pegasi b(페가수스자리 41b). 출처: NASA/JPL-Caltech

시선속도법(Radial velocity)은 과학자들이 외계행성을 찾을 때 성공한 첫번째 방법 중 하나였습니다. 2019년 노벨 물리학상(Nobel Prize in Physics)을 수상한 스위스 제네바대학교 천체물리학 명예교수인 미셸 마요르(Michel Mayor)와 디디에 쿠엘로(Didier Queloz)가 최초의 외계행성을 발견했을 때 사용한 방법이 바로 시선속도법(Radial velocity)입니다. 1990년대 초 디디에 쿠엘로가 박사 과정이었을 때 오트-프로방스 천문대(Haute-Provence Observatory)에서 특수 제작한 장비를 이용해 태양계 너머에 있는 항성의 흔들림을 감지할 수 있었는데요. 이는 항성의 궤도를 도는 외계행성이 중력에 의해 당겨지고 있다는 신호였습니다. 1995년 <Nature>에 발표된 연구에서 그들은 '(페가수스자리 41b)'를 발견했는데요. 이는 우리 태양과 같은 항성 주변에서 발견된 최초의 외계행성이었습니다. 이 방법은 이후에도 지속적으로 외계행성을 찾도록 돕는 생산적인 방법 중 하나가 됐습니다. 

 

전 세계 수많은 천문학자들과 관측소에서는 외계행성을 발견하기 위해 이 방법을 사용하지만 이 주목할 만한 관측소는 하와이에 있는 켁 망원경(Keck Telescope)과 칠레에 있는 라 실라 천문대(La Silla Observatory)라고 합니다. 

 

일식현상으로 외계행성 찾는 '통과 관측법(Transit)'


 
천문학적 사건 가운데 일식은 이웃님들도 한 번쯤 경험해 보셨을 것 같은데요. 일식은 달이 태양과 지구 사이에 위치하면서 태양의 빛이 가려지면서 발생하는 현상입니다. 이는 천문학자들이 외계행성을 찾을 때 사용하는 '통과 관측법(Transit)'과 유사합니다. 행성이 관측자와 항성 사이를 바로 지날 때 행성은 항성의 빛을 일부 차단하게 됩니다. 짧은 시간동안 발생하긴 하지만 그 시간동안 실제로 항성의 빛은 희미해집니다. 이는 아주 작은 변화지만 천문학자들에게는 먼 곳에 있는 항성 주위에 외계행성이 존재한다는 단서를 찾기엔 충분합니다. 

통과 관측법(Transit). 출처: NASA

위 사진을 보면 왼쪽에 그려진 그래프는 천문학에서 '광도 곡선(light curve)'이라고 부르는 건데요. 이는 항성에서 관측되는 빛의 정도를 나타내는 그래프입니다. 행성이 항성 앞을 지나 그 빛을 일부 차단할 때 광도 곡선에서 밝기는 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 

두 개의 행성 있을때 통과 관측법(Transit). 출처: NASA

행성이 항성을 통과하는 크기와 시간을 보며 우리는 정보를 얻습니다. 만약 사이즈가 더 큰 행성이라면 더 많은 빛을 차단할 수 있고 광도 곡선은 더 많이 감소할 겁니다. 또한 행성이 멀리 떨어져 있을수록 행성이 궤도를 돌며 항성 앞을 지나는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 그래서 통과 시간이 길어질수록 그 행성은 항성으로부터 더 멀리 떨어져 있다는 걸 의미합니다. 

행성 여러개 있을 때 통과 관측법(Transit). 출처: NASA
행성 여러개 있을 때 통과 관측법(Transit). 출처: NASA

만약 위의 사진처럼 여러 행성이 항성을 통과할 땐 어떻게 될까요? 보시는 바와 같이 광도 곡선이 더 복잡해지는 걸 확인할 수 있습니다. 이 광도 곡선의 조합은 우리에게 하나의 항성에 관한 단일 정보를 제공하는데요. 이에 천문학자들은 이 정보로부터 각 행성의 데이터를 골라내야 하는 작업이 필요합니다. 

 

이 방법은 행성을 찾는 데 유용할 뿐만 아니라 우리에게 외계행성의 대기 구성이나 온도 등과 관련한 정보도 줄 수 있는데요. 외계행성이 항성 앞을 지날 때 빛의 일부는 그 행성의 대기를 통과합니다. 그러면 과학자들은 대기의 구성성분을 알아낼 귀중한 자료를 얻기 위해 이 빛의 색을 분석할 수 있습니다. 왜냐하면 대기의 각각의 기체 분자들은 각기 다른 파장대의 빛을 흡수하기 때문입니다. 과학자들은 이 방법을 사용해 메탄으로 이뤄진 외계행성에서부터 수증기로 이뤄진 외계행성까지 많은 사실들을 밝혀냈습니다. 

지구닮은 행성 발견됐다. 출처: University of Göttingen
지구닮은 행성 발견됐다. 출처: University of Göttingen

또한 지난 5월 <Astronomy & Astrophysics>에 게재된 연구에서 과학자들은 지구로부터 12.5광년 떨어진 양자리의 항성 '티가든(Teegarden's star)'을 돌고 있는 외계행성을 발견했는데요. 이 행성은 지금까지 발견된 외계행성 중 역대급으로 지구를 닮은 행성이었습니다. 당시 과학자들은 항성의 ‘깜빡임’을 관측해 이 행성을 발견했다고 하는데요. 바로 통과 관측법(Transit)을 이용한거죠. 

 

통과 관측법(Transit)은 새로운 외계행성을 찾는데 매우 성공적인 역할을 했습니다. NASA의 케플로 미션은 2009년부터 2013년까지 이 방법을 이용해 외계행성을 찾아나섰는데요. 수 천개의 외계행성을 발견했고 천문학자들에게 은하계 내의 외계 행성 분포에 관한 귀중한 정보를 제공했습니다.  

 

직접 본다, 직접촬영법(direct imaging)

 

외계행성은 멀리 떨어져 있고 이를 공전하는 항성보다 수백만배는 더 어둡습니다. 그래서 목성이나 금성의 사진을 찍는 것처럼 외계행성을 직접 촬영하는 건 매우 어려운 일입니다. 하지만 새로운 기술과 급속하게 발전하고 있는 장비들이 외계행성을 직접 촬영하는 걸 가능하게 만들고 있습니다. 

 

천문학자들이 외계행성을 직접 이미지화하려고 할 때 직면하는 가장 큰 문제는 공전하는 항성의 밝기가 행성보다 수백만배 밝다는 겁니다. 그래서 행성에서 발사되는 빛이나 행성 자체로부터 나오는 열 복사선은 항성에서 나오는 엄청난 양의 복사선에 의해 거의 감지되지 않는다는 사실인데요. 이는 마치 전구에서 벼룩을 찾거나 스포트라이트 주변에서 반딧불이를 찾는 것과 마찬가지라고 합니다. 

직접촬영법(direct imaging). 출처: NASA
직접촬영법(direct imaging). 출처: NASA

따라서 외계행성을 직접 촬영하기 위해서는 항성의 빛을 차단할 수 있는 장치가 필요합니다. 밝은날 선글라스를 끼거나 자동차의 선 바이저(sun visor)를 사용할 수 있는 것처럼 어떤 장치가 필요한거죠. 그래서 과학자들은 항성의 빛을 차단하기 위한 다양한 기술을 사용합니다. 일단 항성의 빛이 줄어들게 되면 과학자들은 항성 주변을 돌고 있는 외계행성도 더 잘 보이기 때문입니다. 

코로나 그래프(Coronagraphs). 출처: NASA
코로나 그래프(Coronagraphs). 출처: NASA

과학자들은 항성의 빛을 차단하기 위해 사용하는 두가지의 주요한 방법을 갖습니다. 하나는 '코로나 그래프(Coronagraphs)'라 불리는데요. 망원경 안에 있는 장비를 이용해 망원경의 검출기에 닿기 전 항성으로부터 오는 빛을 차단합니다. 코로나 그래프(Coronagraphs)는 망원경의 내부에 추가물로 만들어졌으며 현재 지상관측소에서 외계행성을 직접 이미지화하는데 사용되고 있다고 합니다. 2017년 미국우주항공국(NASA)과 한국천문연구원(KASI)은 공동으로 태양 관측용 망원경 코로나 그래프를 개발해왔습니다. 연구진은 코로나그래프를 통해 태양 코로나 관측을 시도할 예정인데요. 2021년 코로나그래프를 국제우주정거장에 설치할 계획이라고 합니다. 

스타셰이드. 출처: NASA
스타셰이드. 출처: NASA

또 다른 방법은 스타셰이드(starshade)입니다. 말 그대로 항성의 빛을 가리는 도구죠. 망원경으로 가기도 전에 항성의 빛을 차단하기 위해 고안됐는데요. 외계행성을 찾는 우주망원경을 위해 스타셰이드(starshade)는 분리된 하나의 우주선이 될 것 입니다. 스타셰이드(starshade)는 천문학자들이 관측하고 있던 항성에서 나오는 빛을 차단하기 위해 적당한 거리와 각도로 위치를 설정하도록 설계됐습니다.  

 

외계행성 탐사 방법에 있어 직접촬영법(direct imaging)은 여전히 초기단계에 놓여있지만 결국 외계행성을 찾아내 특징을 짓는 핵심 도구가 될 것입니다. 가까운 미래에 대기 패턴, 해양, 육지를 식별할 수 있는 외계행성 사진을 찍게 될지도 모릅니다. 


중력의 영향을 받을 때 빛은 휘어진다, 미시중력렌즈(gravitational microlensing)

미시중력렌즈(gravitational microlensing). 출처: NASA
미시중력렌즈(gravitational microlensing). 출처: NASA

알버트 아인슈타인이 생각해낸 많은 통찰력 중에 '중력'에 관한 개념은 참 신기합니다. 커다란 물체는 우주의 구조를 휘게 만듭니다. 이 효과는 빛이 항성이나 행성처럼 거대한 천체의 중력 하에 놓였을 때 방향이 바뀌거나 왜곡될 수 있다는 걸 말합니다. 

 

이 방향의 변화는 꽤 흥미로운 일들을 일어나게 할 수 있는데요. 때로는 중력은 확대경이나 안경 속 렌즈처럼 빛을 구부려 집중시킬 수 있습니다. 미시중력렌즈(gravitational microlensing)은 항성이나 행성의 중력으로 더 멀리 떨어져 있는 항성의 빛이 일시적으로 밝게 보이도록 집중시킬 때 발생합니다. 위 사진처럼 더 먼 항성으로부터 나오는 빛의 광선은 외계행성 주위에서 휘어진 다음 이를 다시 외행성의 항성에서 볼 수 있게 합니다. 이는 돋보기가 태양 빛을 종이 위에 있는 아주 작고 밝은 곳에 집중시키는 것과 같은 방법입니다. 행성의 중력은 더 멀리 있는 항성의 광선을 관찰자에게 더 집중시켜 보내줍니다. 

 

그래프는 멀리 있는 항성의 빛이 관찰자에게 집중되면서 변화하는 밝기를 보여줍니다. 항성은 더 밝아지기 시작하고 이후 행성의 렌즈 작용으로 잠시 밝기가 깜빡 흐려집니다. 행성에서 렌즈작용이 발생한 이후 빛은 감소하지만 항성의 지속적인 렌즈작용으로 인해 빛은 계속해서 증가하는데요. 일단 렌즈작용이 발생한 항성으로부터 최적의 위치에서 벗어나게 되면 더 멀리 있는 별의 밝기는 점차 사라지게 됩니다. 

깜~ 빡. 출처: NASA
깜~ 빡. 출처: NASA

천문학자들에게 이 렌즈작용은 멀리 있는 항성이 점차 밝아졌다가 한 달 남짓한 시간에 저 멀리 사라지는 것처럼 보입니다. 만약 행성에서 렌즈작용이 발생한다면 이는 빛이 밝아졌다 어두워지는 동안 매우 짧게 깜빡이는 것처럼 보일 겁니다. 

 

천문학자들은 언제 어디서 이러한 렌즈 작용이 발생할 지 예측할 수가 없습니다. 그래서 그들은 오랜 시간동안 하늘을 바라봐야합니다. 과학자들이 항성이 점차 밝아졌다 희미해지는 렌즈현상이 일어나는 천체의 패턴을 기록할 때 그들은 그 항성의 크기를 추정할 수 있는 정보를 분석합니다. 때때로 우주에 떠돌아다니는 행성들, 즉 항성의 궤도를 돌지 않는 떠돌이 행성(rogue planet)들은 이러한 마이크로렌징 작용을 일으킬 겁니다. 이를 통해 우리는 은하계에 이러한 떠돌이 행성들이 얼마나 흔한지 알 수 있습니다.  

 

흔들거리는 항성, 측성학(astrometry)으로 파악하기

흔들거리는 항성, 측성학(astrometry). 출처: NASA
흔들거리는 항성, 측성학(astrometry). 출처: NASA

앞서 시선속도법(Radial velocity)을 설명할 때 행성의 중력으로 미세하게 흔들리는 항성을 찾아내는 방법으로 '도플러 편이(Doppler shifts)'를 이용한다고 했습니다. 하지만 도플러 편이만이 천문학자들이 행성의 중력으로 흔들리는 항성을 찾을 수 있는 유일한 방법은 아닙니다. 미세하게 흔들리는 항성은 하늘에서 항성의 위치 변화로도 볼 수 있습니다. 과학자들은 실제로 우주에서 비틀거리며 움직이는 이러한 항성의 위치를 탐지할 수 있습니다. 

 

사실 이 방법은 측성학(astrometry)에서 아직도 매우 어려운 방법입니다. 항성들은 1분 거리에서 흔들리기 때문에 특히 지구 크기의 작은 행성으로부터 발생하는 흔들림을 정확히 탐지하는건 매우 어렵습니다. 과학자들은 이러한 별들의 움직임을 추적하기 위해 항성과 그 근처에 있는 다른 항성들의 이미지를 연속적으로 촬영합니다. 각각의 사진에서 과학자들은 기준이 되는 항성과 그들이 외계행성을 찾으려고 하는 항성 사이의 거리를 비교합니다. 만약 타깃이 되는 항성이 다른 항성과 비교했을때 움직인다면 천문학자들은 외계행성의 흔적에 관한 움직임을 분석할 수 있습니다. 측성학(astrometry)은 극도로 정밀한 광학 장치를 필요로 하고 특히 대기에서 빛이 굴절되거나 왜곡되기 때문에 지표에서는 관측하기 어렵다고 합니다. 
 


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