직접 촬영까지 이어진 탐사의 역사
태양계 밖에도 지구처럼 별 주위를 도는 행성이 존재할까. 오늘날 수천 개의 외계행성이 확인됐지만, 불과 30여 년 전만 해도 다른 별에 딸린 행성을 발견하는 일은 천문학의 커다란 과제였다. 행성은 중심별보다 훨씬 어두운 데다 강렬한 별빛에 가려 직접 관측하기 어렵기 때문이다.
외계행성 탐사의 중요한 전환점은 1995년 찾아왔다. 스위스 제네바대학교의 미셸 마요르와 디디에 켈로 박사는 태양과 비슷한 페가수스자리 51번 별(51 Pegasi) 주위를 도는 외계행성을 발견했다. 일반적인 별에서 외계행성의 존재를 확인한 역사적인 성과였다. 두 과학자는 이 업적으로 2019년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.
두 사람이 활용한 기술은 시선속도법이다. 행성이 중심별 주위를 공전하면 별 역시 행성의 중력 때문에 미세하게 흔들린다. 천문학자들은 별빛의 파장이 변하는 도플러 효과를 분석해 행성의 존재를 알아냈다. 별이 지구 쪽으로 움직이면 빛의 파장이 짧아지고, 반대 방향으로 움직이면 길어지는 원리다.
이후 외계행성 탐사의 주력으로 떠오른 기술은 트랜싯법이다. 행성이 중심별 앞을 지나갈 때 별빛이 미세하게 어두워지는 현상을 이용한다. 밝기가 감소하는 정도와 주기를 분석하면 행성의 크기와 공전주기를 추정할 수 있다. 2009년 발사된 미 항공우주국(NASA)의 케플러우주망원경은 이 방법으로 외계행성 수천 개를 찾아냈다.
아인슈타인이 일반상대성이론에서 예측한 중력렌즈 현상을 응용한 미세중력렌즈법도 있다. 멀리 떨어진 별 앞을 다른 별이 지나가면 앞쪽 별의 중력이 뒤쪽 별빛을 휘게 만들어 밝기가 일시적으로 증가한다. 이때 앞쪽 별에 행성이 존재하면 밝기 변화에 추가적인 신호가 나타난다. 먼 거리의 외계행성을 발견하는 데 특히 유용하다.
이들 기술은 모두 행성을 직접 보는 대신 별빛에 나타나는 변화를 분석한다는 공통점이 있다. 이와 달리 직접 영상법은 행성 자체에서 나오는 빛을 포착한다. 캐나다 허츠버그 천체물리학연구소 크리스티앙 마루아 박사 연구팀은 2008년 HR 8799 항성계의 외계행성들을 직접 촬영해 이 기술의 가능성을 입증했다.
다만 직접 영상법은 커다란 장애물이 있다. 중심별의 빛은 행성보다 압도적으로 밝다. 천문학자들은 코로나그래프라는 장치로 별빛을 가려 행성을 관측하지만, 완전히 제거되지 않은 빛은 여전히 희미한 행성의 신호를 덮어 검출을 어렵게 만든다.
2021년 발사돼 이듬해 7월 첫 관측 이미지를 공개한 제임스웹우주망원경도 이런 한계에서 자유롭지 않다. 뛰어난 적외선 관측 능력과 코로나그래프를 갖췄지만, 망원경의 미세한 광학적 변화로 발생하는 잔여 별빛까지 완벽하게 제거하지는 못한다.
그런데 최근 획기적 기술이 등장했다. 미국 노스웨스턴대학교와 캘리포니아공과대학교 등 공동 연구팀은 이 문제를 해결할 새로운 영상 분석 기술을 개발했다. 이달 4일 학술지 네이처에 발표된 기술은 제임스웹의 실제 관측 자료를 분석하는 과정에서 기존 영상 처리법보다 외계행성 검출 민감도를 최소 2배, 최대 15배 높였다. 망원경을 개조하지 않고도 이전에는 식별하지 못했던 행성의 신호를 찾아낸 것이다.
외계행성 검출 기술, 어디까지 왔나…제임스웹이 연 새 가능성<下>에서 계속
김한별 기자 khstar@sputnik.kr
