[과학 핫이슈]외계행성

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KMTNet 망원경의 주 관측영역(궁수자리 주변 우리은하 중심부)
<KMTNet 망원경의 주 관측영역(궁수자리 주변 우리은하 중심부)>

최근 국내에서 외계행성탐색시스템(KMTNet)을 이용해 2개의 외계행성을 연속으로 발견했다. 생명체 존재 가능성이 있는 외계행성을 찾는 것은 천문학계의 중요한 화두 중 하나다. 세계 과학자들은 외계행성을 찾는데 힘을 쏟고 있다. 세계 각국은 지상과 우주에 최첨단 천체관측장비를 설치해 활발하게 연구하고 있다.

외계행성은 태양계 밖 우주에 있는 다른 별(항성) 주위를 공전하는 행성이다. 현재까지 발견된 외계행성의 총 수는 3476개이다. 과학자들은 외계행성의 근원적 의문을 풀기 위해 외계행성과 그들의 모항성이 어디에서 어떻게 형성되는지, 모항성이 외계행성에 생명체가 유지될 수 있는 조건을 제공해 주는지에 대해 연구하고 있다.

KMTNet으로 발견한 외계행성계의 우리은하 내 위치
<KMTNet으로 발견한 외계행성계의 우리은하 내 위치>

외계행성은 1992년에 중성자별인 펄서 주위를 공전하는 것으로 최초 발견됐다. 그 이후 3000개 넘는 행성이 발견됐다. 2000년대 이후 외계행성 탐색을 위한 정밀 관측기기 개발로 행성 발견이 점차 증가했다.

이 중 중력렌즈 방법으로 발견된 외계행성 수는 총 49개이다. 중력렌즈 현상이란 멀리 떨어진 천체의 빛이 지구에 도달하기 전 은하, 블랙홀, 별 중력에 의해 굴절돼 대상이 여러 개로 보이거나 빛이 밝아지는 현상이다. 어떤 별을 관측할 때 별과 관측자 사이에 보이지 않는 별이나 행성 같은 천체가 지나갈 때 보인다. 관측자에게 도달하지 않던 빛이 보이지 않는 천체 중력에 의해 휘어져서 관측하고 있던 별의 밝기가 원래의 밝기보다 밝아진다. 중간에 놓인 별이 행성을 갖고 있는 외계행성계인 경우 독특한 신호를 발생시켜 행성 정보를 알려준다.

중력렌즈 방법은 다른 방법보다 훨씬 적은 경비가 드는 지상관측으로 지구같이 작은 질량을 가진 행성들을 검출할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 2004년 중력렌즈 현상을 이용해 처음 외계행성이 발견됐다. 현재까지 발견된 총 49개의 행성 중 2개(4%)가 KMTNet이 발견한 외계행성이다.

태양계 행성과 두 외계행성의 크기 및 모성과의 거리 비교
<태양계 행성과 두 외계행성의 크기 및 모성과의 거리 비교>

국내에서 외계행성을 연구하고 있는 한국천문연구원에서 발견한 첫 번째 외계행성(OGLE-2015-BLG-0954Lb)은 목성 질량의 약 4배(3.9±1.4 MJupiter)되는 행성이다. 표면온도 약 3000도의 모성에서 1.2AU(태양과 지구거리의 1.2배) 떨어져 있다. 두 번째 행성(OGLE-2015-BLG-0051Lb)은 목성 질량의 0.7배다. 이 외계행성은 지구에서 약 2만7000광년 떨어진 거리에 있다.

발견된 두 행성과 모성 사이 거리는 태양과 지구간 거리와 비슷하다. 모성의 온도가 태양의 온도인 5500도보다 낮아서 행성에 도달하는 빛이 약하다. 모성에서 방출되는 복사에너지에 의한 행성 온도는 각각 영하 190도와 영하 220도 정도로 매우 춥다. 두 개 행성에 생명체가 존재할 가능성은 희박한 것으로 보인다.

천문연은 지구와 비슷한 환경을 가져 생명체가 존재할 가능성이 있는 외계행성을 발견하려고 2009년부터 중력렌즈 현상을 이용한 외계행성 탐색에 최적화된 KMTNet 시스템을 개발했다.

KMTNet 시스템은 지난 2014년 5월부터 2015년 5월까지 남반구 칠레 CTIO, 남아공 SAAO, 호주 SSO 천문대에 설치됐다. 중력렌즈 현상을 이용한 외계행성 탐색에 최적화된 시스템으로 수개월간 시험관측을 거쳐 2015년 10월 2일 본격 가동을 시작했다. 남반구 3개 천문대는 경도 상으로 약 8시간 정도 차이가 난다. 칠레 관측소에서 관측이 끝나갈 즈음에는 호주에서 관측이 시작된다. 호주 관측이 끝날 때면 남아공 관측소에서 이어서 관측이 진행되므로 24시간 연속 관측이 가능한 세계 최초의 외계행성탐색시스템이다.

KMTNet 망원경은 직경 1.6m 반사경과 4장의 보정렌즈로 이뤄졌다. 광시야 탐색관측 장비 중에서는 세계 최대급이다. 망원경에는 4장의 CCD를 모자이크로 붙여 가로와 세로 크기가 각각 20cm이고 3억4000개의 화소를 가진 세계 최대급 CCD 검출기를 장착했다. 보름달 16개에 해당되는 면적을 밤하늘에서 수천만개 이상 별 신호를 한 번에 기록할 수 있다. 칠레, 남아프리카공화국, 호주 등 남반구 3개 국가 관측소에 설치돼 우리 은하 중심부를 24시간 연속 관측한다.

1.6m 광시야 망원경 3차원 이미지
<1.6m 광시야 망원경 3차원 이미지>

주요 외계행성 탐색 방법에는 미시중력렌즈 방법 외에도 시선속도 방법과 극심시각 방법으로 외계행성을 발견할 수 있다. KMTNet 시스템으로 얻은 관측 자료는 미시중력렌즈 방법과 별표면 통과 방법, 극심시각 방법을 이용한 외계행성 탐색에도 활용된다.

시선속도 방법은 별 주위에 행성이 있을 때에는 행성 움직임에 의해 별도 질량 중심 주위를 공전하게 된다. 이때 별빛이 관측자에 올 때는 파란색 편이가 일어난다. 멀어질 때는 빨간색 편이가 일어난다.

별표면 통과 방법은 별 주위를 공전하는 행성의 궤도면이 관측자와 일치하면 별 앞을 지나는 행성은 그 크기 만큼에 해당하는 면적으로 별빛을 가린다. 행성이 별빛을 가리기 시작하는 순간부터 별 표면을 가로질러 빠져나오는 시간 동안 일어나는 별빛 변화를 분석한다. 별 크기에 대한 행성의 상대 반지름을 알 수 있다.

이 외 별이 멀어지고 가까워지는 거리 변화를 측정해 유추하는 극심시각 방법과 별 주변의 행성을 직접 카메라로 찍는 직접 촬영법이 있다.

송혜영기자 hybrid@etnews.com