우리은하에서 발견한 지구 크기 '나홀로 행성'
우리은하에서 발견한 지구 크기 '나홀로 행성'
  • 함예솔
  • 승인 2020.11.06 16:05
  • 조회수 850
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우리은하에서 지구 크기 만한 나홀로 행성이 발견됐습니다. 캘리포니아 공과대학과 바르샤바 대학 소속인 므로즈(P. Mroz) 박사가 이끄는 연구팀은 해당 행성의 발견 성과를 '미국 천체물리학회지 레터'에 발표했습니다.

미시중력렌즈 방법으로 발견한 나홀로 행성의 상상도. 출처: Jan Skowron, 바르샤바대학교 천문대
미시중력렌즈 방법으로 발견한 나홀로 행성의 상상도. 출처: Jan Skowron, 바르샤바대학교 천문대

나홀로 행성?!

 

이번에 발견한 나홀로 행성은 지구 질량의 약 0.3배이고, 우리은하 원반에 위치한 것으로 추정됩니다. 이는 현재까지 발견된 나홀로 행성 중 가장 작은 질량입니다. 이번 발견은 미국, 폴란드, 한국천문연구원의 국제 공동 연구를 통해 이뤄졌습니다. 한국천문연구원 외계행성탐색시스템(이하 KMTNet, Korea Microlensing Telescope Network)의 관측 자료가 이번 발견에 중요한 역할을 했습니다. 

외계행성탐색시스템. 출처: 한국천문연구원
외계행성탐색시스템(KMTNet). 출처: 한국천문연구원

국제천문연맹(IAU)이 정하는 행성 정의에 따르면, 행성은 1) 태양 주위를 돌아야 하고, 2) 구형의 모습을 가지고 있어야 하며, 3) 공전 궤도에 홀로 존재해야 합니다. 이를 만족하는 태양계 행성은 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등 모두 8개입니다.

 

태양계 너머 우주 공간에 있는 행성을 외계행성이라고 부릅니다. 외계행성은 지구로부터의 거리가 멀고 스스로 빚을 낼 수 없는 어두운 천체이기 때문에 직접 관측하기가 매우 어렵습니다. 그로 인해 현재까지 발견된 약 4천여 개 외계행성 대부분은 행성의 중심별을 관측함으로써 간접적으로 발견됐습니다. 케플러 우주망원경에서 사용했던 '별 표면 통과' 방법 등이 대표적입니다.

행성계 내의 행성은 여러 요인으로 인해 중심별의 중력권 밖으로 튕겨 나갈 수 있습니다. 이처럼 중심별의 중력에 속하지 않고 우주 공간을 홀로 떠도는 행성을 나홀로 행성(Free floating planet 또는 rogue planet)이라고 하며, 이러한 천체들은 행성계의 형성과 진화를 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 

 

나홀로 행성, 어떻게 발견했나

나홀로 행성의 중력은 먼 항성으로부터 오는 빛을 모으거나 방향을 바꾼다. 왜곡된 이미지로 인해 항성은 일시적으로 훨씬 밝게 보일 수 있다. 출처: Jan Skowron / Astronomical Observatory, University of Warsaw.
나홀로 행성의 중력은 먼 항성으로부터 오는 빛을 모으거나 방향을 바꾼다. 왜곡된 이미지로 인해 항성은 일시적으로 훨씬 밝게 보일 수 있다. 출처: Jan Skowron / Astronomical Observatory, University of Warsaw.

중심별이 없는 나홀로 행성은 발견하기가 매우 어렵습니다. 예를 들어, 대부분의 외계행성을 발견한 별 표면 통과 방법과 시선속도 방법은 중심별이 없는 행성을 발견하는데 사용할 수 없습니다. 나홀로 행성을 발견할 수 있는 가장 좋은 방법은 미시중력렌즈 현상을 이용하는 겁니다. 미시중력렌즈 현상은 관측자와 배경별 소스에 또 다른 천체(렌즈 역할)가 일직선상에 놓일 때 발생하며 이 때 관측자는 렌즈천체의 중력으로 인해 배경별의 빛이 왜곡돼 증폭되는 현상을 관측하게 됩니다. 즉, 렌즈천체의 위치에 스스로 빛을 내지 못하는 행성이 있다 하더라도 배경별빛이 증폭되는 양과 지속 시간을 분석함으로써 나홀로 행성의 존재를 발견할 수 있습니다. 

나홀로 행성의 중력이 먼 거리에 있는 항성의 빛을 모으거나 방향을 바꿀 때 우리는 일시적으로 항성의 밝기 변화를 관찰할 수 있다. 출처: Jan Skowron / Astronomical Observatory, University of Warsaw.
나홀로 행성의 중력이 먼 거리에 있는 항성의 빛을 모으거나 방향을 바꿀 때 우리는 일시적으로 항성의 밝기 변화를 관찰할 수 있다. 출처: Jan Skowron / Astronomical Observatory, University of Warsaw.

한국천문연구원에서는 미시중력렌즈 현상을 이용한 외계행성 탐색 연구를 위해 동일한 성능을 가진 1.6m 광시야 망원경 KMTNet을 만들어 칠레, 남아공, 호주에 설치하여 24시간 연구에 활용하고 있습니다. 미시중력렌즈 방법을 이용한 외계행성 발견은 2004년에 처음 이뤄졌고 이 방법으로 현재까지 발견된 외계행성의 총 개수는 최근 100개를 넘었습니다.

나홀로 행성에 의해 발생한 미시중력렌즈 현상 광도곡선. OGLE 망원경(남색) 및 칠레(적색)와 남아공(녹색)에 설치된 KMTNet 망원경으로 관측한 나홀로 행성의 미시중력렌즈 광도변화를 최적 모델(검은선)과 함께 나타냈다.  출처: 한국천문연구원
나홀로 행성에 의해 발생한 미시중력렌즈 현상 광도곡선. OGLE 망원경(남색) 및 칠레(적색)와 남아공(녹색)에 설치된 KMTNet 망원경으로 관측한 나홀로 행성의 미시중력렌즈 광도변화를 최적 모델(검은선)과 함께 나타냈다. 출처: 한국천문연구원

한국천문연구원 이충욱 박사는 "KMTNet이 본격 가동되기 시작한 2015년 10월부터 현재까지 발견된 외계행성은 65개인데 이 중 이번 연구를 포함한 총 52개의 외계행성 발견에 KMTNet 관측자료가 활용됐다"며 "이러한 성과는 KMTNet이 미시중력렌즈 외계행성 분야를 국제적으로 선도하는 관측시스템으로 인정받고 있다는 것"이라고 전했습니다.


##참고자료##

 

Mroz, Przemek, et al. "A terrestrial-mass rogue planet candidate detected in the shortest-timescale microlensing event." arXiv preprint arXiv:2009.12377 (2020).

 


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