관측 자료에 숨은 행성 신호 찾아
외계행성 검출 기술, 어디까지 왔나…제임스웹이 연 새 가능성<上>에서 계속
신기술의 이름은 FLIP(Physics-based Learning for Imaging Planets)이다. 쉽게 말해 물리학적 원리를 바탕으로 외계행성의 영상을 분석하는 기술이다. 중심별의 강렬한 빛을 정밀하게 제거할 수 있어 주변 행성의 아주 희미한 신호도 찾아낸다.
기존 영상 분석 기술은 다른 별이나 다른 시점에 촬영한 참조 영상과 실제 관측 영상을 비교해 중심별의 빛을 제거했다. 문제는 망원경의 미세한 움직임이나 온도 변화 때문에 두 영상의 별빛 형태가 완전히 일치하지 않는다는 점이다. 이 차이로 남은 잔여 별빛이 외계행성의 신호를 가리곤 했다.
FLIP은 이 문제를 해결하기 위해 망원경의 광학적 특성을 컴퓨터로 재현했다. 연구팀은 제임스웹의 광학계와 관측 자료를 바탕으로 별빛이 망원경을 통과하는 과정을 계산하고, 실제 영상과 비교하면서 오차를 줄였다. 자동미분이라는 계산 기법을 활용해 약 100만 개의 변수를 조정한 결과, 기존보다 훨씬 정확하게 별빛을 제거할 수 있었다.
연구팀은 FLIP의 성능을 확인하기 위해 제임스웹의 근적외선카메라(NIRCam)가 관측한 여러 항성계의 자료를 재분석했다. 그중 주목할 대상은 지구에서 약 96광년 떨어진 51 에리다니(51 Eridani) 항성계의 외계행성 51 에리다니 b였다. 이 행성은 2015년 이미 발견됐지만, 제임스웹이 관측한 일부 적외선 파장에서는 식별되지 않았다.
FLIP을 적용하자 상황이 달라졌다. 연구팀은 기존 분석에서는 검출에 실패했던 파장 4.3㎛(마이크로미터)의 영상에서 51 에리다니 b를 확인했다. 강한 별빛에 묻혀 있던 행성의 신호를 새로운 영상 처리 기술로 찾아낸 놀라운 성과다.
성능 개선은 다른 관측 자료에서도 확인됐다. 기존 영상 처리 기술인 KLIP(카루넨-뢰베 영상 투영법)과 FLIP을 비교한 결과, 관측 조건에 따라 외계행성 검출 민감도가 최소 2배 향상됐다. TYC 5899 항성계의 관측 영상에 가상의 행성 신호를 삽입한 실험에서는 최대 약 15배 높은 민감도를 확보했다.
이번 기술은 이미 축적된 제임스웹 관측 자료의 활용 가치도 높일 전망이다. 과거에는 별빛에 묻혀 발견하지 못한 외계행성을 기존 영상을 다시 분석하는 것만으로 찾아낼 가능성이 생겼기 때문이다. 연구팀은 FLIP이 지금보다 어둡고 차갑거나 질량이 작은 외계행성의 관측에 도움이 될 것으로 기대했다.
활용 범위는 제임스웹에 그치지 않는다. 연구팀은 앞으로 발사될 낸시그레이스로만우주망원경과 미 항공우주국(NASA)이 구상 중인 거주가능세계관측소(HWO)에도 FLIP의 원리를 적용할 수 있다고 봤다.
지구와 비슷한 외계행성을 직접 관측하려면 극도로 정밀한 광학계가 필요한데, 신기술은 망원경에 요구되는 극도로 높은 광학적 안정성의 부담을 줄일 가능성이 있다. 별의 움직임과 밝기 변화로 시작된 외계행성 탐사는 이제 관측 영상에 숨은 희미한 빛까지 찾아내는 단계로 발전했다. <끝>
김한별 기자 khstar@sputnik.kr
