4. 데이터를 이용한 외계행성의 특징 파악하기

행성은 별 주위를 공전하는 천체를 말한다. 태양을 중심으로 공전하는 수성, 금성 외 행성들이 있고, 다른 별을 중심으로 공전하는 행성을 외계행성이라고 한다. 이들은 1992년에 처음 발견되어 2018년 기준으로 3200 여개가 발견되었다. 외계 행성 발견 방법에는 직접 영상 방법, 통과 측광 방법, 시선속도 변화와 중력렌즈 방법이 있다. 지금까지 알려진 외계행성의 물리량과 이들의 관계를 알아보고 태양계 행성과 비교해 본다.

 그 이전인 1989년에 시선속도 변화 방법으로 발견된 동반성은 행성이라고 하기에는 질량이 너무 커서 갈색왜성으로 추정되다가, 이후 중심별의 질량이 조정되면서, 2012년에 외계행성으로 확정되었다.최초의 외계행성은 1992년 미국의 천문학자인 알렉산데르 볼시찬 (Aleksander Wolszczan) 과 데일 프레일 (Dale Frail) 에 의해 펄서 주위에서 발견되었다. 펄서는 별의 잔해로 별의 외피가 초신성으로 폭발하고 별의 핵이 남은 중성자별이다. 이런 천체에서 생명의 가능성을 논하기에는 특별하기 그지 없다. 이런 천체에서도 행성이 존재한다면 일반적인 별 주위에서도 태양처럼 행성이 존재하지 않을까? 펄서 주위의 행성 보다는 태양과 유사한 별의 주변 행성에 대해 관심을 가지기 시작했다. 

 스위스의 두 천문학자 미셸 마요르 (Michel Mayor) 와 디디에 쿠엘로 (Didier Queloz)는 1995년에 태양과 비슷한 별을 공전하는 외계행성을 발견하고, 그 공로로 2019년에 노벨물리학상을 수상했다. 도플러 효과를 이용한 시선속도 변화 방법으로 태양과 비슷한 질량의 주계열 별인 페가수스자리 51 (51 Pegasi) 주위를 공전하는 행성을 발견하였다. 펄서가 아닌 별에서 발견한 첫 행성이다. 외계행성 탐사는 이후 원동력을 얻게 되고, 2017년 말에는 약 2800개의 별에서 3700개가 넘는 외계행성들이 확인되었다. Exoplanet Orbit Database에서 제공하는 자료는 2018년 기준으로 3200 여개가 행성으로 확인되었다.

외계 행성을 관측하는 주요 방법에는 직접 영상으로 확인하는 방법, 행성 통과 방법, 시선속도 방법, 중력렌즈 방법이 있다. 년도별로 발견된 외계행성의 개수분포를 나타낸 그래프다. 초록색이 행성통과 방법, 빨간색이 시선속도 방법, 파란색이 직접 영상 방법, 주황색이 중력렌즈 방법을 나타낸다. 행성통과 방법에 의해 많은 외계행성이 발견된 것과, 2014년과 2016년에 발견갯수가 눈의 띄게 많은 것을 알 수 있다.

1. 직접 영상 방법 

 우리 태양계의 행성은 밤하늘에서 관측하기가 어렵지 않다. 밤에 유독 밝게 빛나는 천체는 대부분 금성이나 목성과 같은 행성이다. 행성은 스스로 빛을 내지 않고 태양빛을 반사하여 밝게 빛난다. 이들은 지구와 매우 가까이 있기 때문에 훨씬 밝지만 멀리 있는 별보다 더 밝게 보인다. 행성이 지구처럼 태양계 행성이 아니라 다른 별 주위를 공전하고 있는 외계행성이라면 상황은 달라진다. 

 별 주위를 공전하고 있는 외계 행성을 사진으로 찍어 확인하는 것은 가장 직접적인 방법이나, 수월한 방법은 아니다. 어려운 이유는 무엇일까? 중심별의 빛을 반사해서 빛을 내는 외계 행성은 중심별보다 상당히 어두우며 중심별이 상대적으로 무척 밝다. 별은 보통 멀리 있기 때문에 중심별과 외계행성을 분해해서 관측하기도 쉽지 않다. 광학 분해능이 우주망원경이나, 어두운 천체도 관측할 수 있는 집광력을 가진 큰 구경의 망원경을 사용하여 외계행성을 관측한다. 2017년 100여개 정도의 외계 행성이 이런 영상 방법으로 발견되었다.

2. 통과 측광 방법

 한 천체가 다른 천체에서 나오는 빛의 일부를 가리는 상황을 엄폐라고 하며, 태양계 내에서도 자주 일어난다. 지구에서 관찰하기에 시선방향으로 태양과 달이 일직선상에 놓여 있을 때 일식이 일어나기도 한다. 금성이 태양빛의 일부를 차단하는 금성 일면 통과도 최근에는 2004년과 2012년에 일어났었다.

 외계 행성이 중심별 빛을 주기적으로 가리는 현상을 관측하여 외계행성을 발견하게 된다. 외계 행성의 공전 궤도 방향이 우리의 시선방향과 우연히 맞게 되어 행성의 통과현상이 관측된다. 별빛의 광도가 주기적으로 변하는 것으로 외계행성을 발견한다. 이 방법은 역사적으로 쌍성 관측과 해석을 위해 사용하던 방법으로 외계행성 발견 방법으로 새로운 각광을 받게 되었다.

3. 시선속도 방법 

행성이 공전하고 있는 중심별은 그 위치에 정지해 있는 게 아니라 행성과 중심별사이의 질량중심으로 공전하고 있다. 일례로, 태양도 예외가 아니어서 행성중 질량이 큰 목성만 생각하더라도 태양의 질량 중심은 태양의 중심이 아니고 태양 표면 근처에 위치하고 있어서 태양은 그 질량중심으로 공전하고 있다. 중심별의 움직임이 지구에서 관찰하기에 시선방향일 때에 중심별은 다가오거나 멀어지는 것이 주기적으로 일어난다. 이 움직임은 중심별의 전자기파의 도플러 효과로 나타나며, 우리쪽으로 다가올때는 청색편이, 멀어질때는 적색편이를 보인다. 파장 변이 값은 중심별 운동의 속도에 비례한다.

4. 중력렌즈 효과 

빛은 질량을 지닌 천체 옆을 지나갈 때 빛의 경로가 바뀌며, 이런 현상을 중력렌즈 효과라고 한다. 질량이 큰 물체에 의해 휘어진 시공간을 지나는 빛으로 렌즈처럼 보이는 모습을 왜곡시키며 밝기를 증폭시킨다. 중심별에 의해서 렌즈 현상이 일어나 밝아진 광원은, 우연히도 중심별의 행성에 의해 다시 밝아져 행성을 발견할 수 있다. 이 방법은 기존에도 보이지 않은 질량을 연구하는데 활용하던 방법으로 외계행성 탐사에 이용되고 있다. 관측이 된다면 중심별과 행성의 정확한 물리량을 얻어 낼 수 있는 장점이 있지만, 한번 일어난 중력렌즈효과는 다시 일어나기 어려워 반복적이지 않다.

천문 교육 활동 교재 박찬경, 손정주, 송인옥, 심현진 공저