외계행성 발견 급증, 이젠 ‘특이행성’ 찾기 과제 - 한겨레

출처 :  http://scienceon.hani.co.kr/archives/25528 

외계행성 발견 급증, 이젠 ‘특이행성’ 찾기 과제

인터뷰/ 김승리 한국천문연구원 박사

BY 오철우   l  2012.01.16

잇따른 ‘특이 행성’ 발견…행성 탐색연구 현황 어떻습니까?

3의 작은 행성을 지닌 외계 행성계. 출처/ NASA
 

■ 2009년 미국항공우주국(NASA)의 케플러 관측위성(우주망원경)이 발사돼 외계행성 탐색 활동이 본격화하면서, 태양계 바깥에서 새로운 행성들이 잇따라 발견되고 언론매체에 보도되고 있습니다. 최근만 해도 “지구 크기의 행성 발견” “3개 행성을 갖춘 행성계 발견” 같은 뉴스 보도가 주목을 받았습니다. 외계행성 찾기 관측활동은 1992년 첫번째 외계행성이 발견된 이래 계속돼, 2012년 1월 현재 720여 개의 행성들이 태양계 바깥에서 발견되었으며, 그 발견의 숫자는 날이 갈수록 빠르게 늘어나고 있습니다. 그러다보니 이제는 외계행성은 특별한 존재가 아니라 우주에서 상당히 일반적인 천체임이 드러났으며, 우리 은하계만 해도 무수한 행성들이 존재한다는 과학적 추론도 제기되고 있습니다. “행성 사냥꾼”으로도 불리는 외계행성 탐색 연구자한테, 외계행성 탐색 연구의 현황과 방법, 그리고 그 추세의 의미를 들어봤습니다. 천문연구원 김승리 박사가 이메일로 보낸 질문지에 자세하고도 친절한 답변을 달아 보내왔습니다. 이메일 인터뷰 전문을 이곳 사이언스온에 싣습니다. ■

외계행성 탐색은 언제부터 시작되었는지요? 현재까지 몇 개의 외계행성들이 발견되었는지요?

외계행성과 외계생명체은 인류의 오래된 호기심 또는 관심거리였습니다. 외계행성이 존재할 것이라는 예측도 오래되었습니다만, 외계행성이 최초로 발견된 것은 1992년입니다. 중성자별 주위를 공전하는 행성을 발견한 것이지요. 중성자별은 태양과는 달리 죽어가는 단계에 있는 별입니다. 태양과 비슷한 별에서는 1995년에 처음 발견되었습니다. 2000년 이전에까지는 약 30개만 발견되었는데, 이후 2006년까지는 매년 20-30개, 2007년과 2008년에는 각각 60여개, 2009년에는 80여개, 2010년에는 114개, 그리고 2011년에는 188개가 발견되었습니다. 2000년대 들어 정밀한 관측 장비와 외계행성 탐색전용 관측기기(2009년 3월에 발사된 케플러 우주망원경 포함)가 개발된 것이 최근에 크게 증가한 주요 이유입니다. 2012년 1월 13일 현재 721개가 발견되었습니다 (참조 http://exoplanet.eu/catalog.php)

700여개 외계행성들이 발견됐다면, 그중에서 가장 주목받은 행성들은 어떤 것들인지요? ‘베스트 5’를 뽑아주시고 그것이 주목받는 이유를 간단하게 설명해주신다면? (예를 들어 ‘지구 크기의 행성’ ‘암석으로 이뤄진 행성’ ‘별을 두 개 지닌 행성’ 등)

가장 주목받는 행성은 아래와 같습니다(개인적인 판단일 수 있음).

■ 2012년 생명체가 존재할 가능성이 있는 골디락스 행성 발견(케플러-22b; 계속 추가될것임/  Borucki et al., 2012년 2월1일자 미국 천체물리학회지 게재, 케플러 위성연구팀)

■ 2011년 크기가 가장 작은(질량도 가장 작은) 행성(케플러-20e; 계속 바뀔 것임/ Fressin, et al., 2011년 12월 20일자 <네이처> 온라인 게재, 케플러 위성연구팀)

■ 2009년과 2011년 2개의 태양 주위를 공전하는 행성(2009년 천문연구원 연구팀이 발견한 HW Vir,케플러-16b/ HW Vir – 이재우(천문연) 등, 2009년 2월 1일자 <미국 천문학회지> 게재,천문연구원 연구팀, 극심시각 방법) (케플러-16b – Doyle et al., 2011년 9월 16일자 <사이언스>, 케플러 위성연구팀, 별표면 통과 방법)

■ 2011 년 별의 중력에 묶여있지 않고 혼자서 떠돌아다니는 행성(2011년 미시중력렌즈 방법으로 발견/ Sumi et al., 2011년 5월 19일자 <네이처>, MOA(일본-뉴질랜드 공동) 및 OGLE(폴란드-미국 공동) 공동연구팀)

■ 2007년 태양이 죽어가는 단계에서 지구의 운명을 예측할 수 있는 행성 발견(V391 Peg; 2007년 / Silvotti et al., 2007년 9월 13일자 <네이처>, 이탈리아 등 국제공동연구그룹)

■ 2008년 태양계를 닮은 행성계 발견(Gaudi, et al., 2008년 2월 15일자 <사이언스>, MicroFUN[미국-한국 등], OGLE, MOA, PLANET/RoboNet 등 국제공동연구팀)

  

2009년02월6일치, <한겨레> 2면

케플러 관측위성이 발견한 외계행성 ‘케플러-20e’와 ‘케플러-20f’. 출처/ NASA

행성은 스스로 빛을 내지 않기 때문에 발견하기가 매우 어려운 천체입니다. 케플러 망원경의 행성 탐색 방법과 중력렌즈의 행성 탐색 방법에는 근본적으로 어떤 차이가 있는지요?

김승리 천문연구원 박사.
 

현재까지 외계행성 발견에 성공한 방법은 5가지입니다. 시선속도(Radial velocity) 방법, 별표면 통과(Transit) 방법, 미시중력렌즈(Microlensing) 방법, 영상촬영(Imaging) 방법, 극심시각(Timing) 방법입니다. 현재까지 약 30개가 발견된 영상촬영 방법만이 행성을 직접 관측하는 것이고, 나머지는 모두 별을 관측하여 행성을 발견하는 간접적인 방법입니다. 행성은 스스로 빛을 내지 못해서 매우 어둡기 때문입니다.
 

케플러 망원경은 별표면 통과 방법을 사용하고 있습니다. 올해 6월 6일에 금성이 태양 표면을 통과하는 현상이 일어나는데, 이와 비슷하게 별 주위를 행성이 공전할 때, 행성이 별의 표면을 가로질러서 통과하는 현상이 일어날 수 있습니다. 이때 행성이 별을 가리기 때문에 별빛이 어두워지게 되는데, 이렇게 어두워지는 현상을 관측하여 행성을 찾는 것입니다. 어두워지는 정도는 행성과 별의 크기 비율에만 관련하는데(반경의 제곱), 만약 태양 주위를 공전하는 목성이 태양 표면을 가리는 현상을 외계인이 관측하는 경우에 태양빛은 약 1/100 정도(1%) 감소합니다. 목성의 크기는 태양의 약 1/10입니다. 만약 지구가 가린다고 하면, 크기비가 약 1/100이므로 약 1/10000(0.01%) 어두워집니다. 지상 망원경으로는 1% 정도의 밝기 변화를 검출하는 것이 가능하며, 케플러 우주망원경은 0.01% 정도까지 가능합니다. 2011년 12월에 발견한 지구크기 행성들이 이런 경우입니다.
 

중력렌즈 현상은 거리가 다른 2개의 별이 관측자의 시선방향에서 정확히 일치할 때, 가까이에 있는 별의 중력으로 인해, 멀리 있는 별의 빛이 렌즈와 같이 모아져서 밝아지는 현상입니다. 이때 렌즈 역할을 하는 가까운 별의 주위를 공전하는 행성이 있으면, 렌즈에 흠집이 난 것처럼 밝기 변화에 특이한 현상이 나타납니다. 중력렌즈에 의한 밝기 변화 중에서 특이한 현상이 일어난 관측 자료를 분석하여 외계행성을 발견합니다.
 

별표면 통과 방법과 중력렌즈 방법은 별의 밝기 변화를 모니터링하여 행성을 찾는다는 것이 공통점입니다. 그리고 2가지 방법 모두 행성 발견 확률이 매우 낮기 때문에 매우 많은 별을 관측해야한다는 점도 같습니다(별표면 통과는 행성의 공전면이 관측자 시선방향과 거의 일치해야하고, 중력렌즈 현상도 2개별이 관측자 시선방향과 거의 일치해야하기 때문에, 이런 현상이 관측될 확률은 매우 낮음). 별표면 통과 방법은 별빛이 어두워지는 것을 관측하고, 중력렌즈 현상은 밝아지는 현상을 관측합니다. 별표면 통과 방법은 상대적으로 별에 가까이 공전하는 행성과 크기가 큰 행성이 발견될 가능성이 높은데 비해, 중력렌즈 방법은 별에서 적절히 떨어져있는(지구같이) 행성을 찾기에 유리하며 행성의 크기에 크게 민감하지 않습니다.

외계행성 탐색은 케플러 위성 덕분에 일반인의 관심을 끌었습니다. 많은 발견들이 대중매체에 실렸지요? 그동안 케플러가 발견한 외계행성은 얼마나 되나요?

외계행성 목록에 등록된 케플러 위성의 발견 기록(외계행성 이름이 Kepler, KIC, KOI로 시작)을 합치면, 2012년 1월 13일 현재 51개 입니다. 그렇지만 케플러 위성 연구팀이 2011년에 발표한 결과에 의하면 2000여개 이상의 후보를 찾았다고 합니다. 향후에 지상망원경으로 확인 관측을 통하여 매우 많은 수의 행성이 등록될 것으로 예상합니다.

며칠 전에 케플러가 발견했다고 발표한 ‘작은 규모 행성 3개의 행성계’ 발견은 어떤 의미를 지니는지요? 이번에 발견된 행성들처럼 암석으로 이뤄진 딱딱한 행성의 존재는 그토록 드문 것인지요?

외계행성 탐색은 목성 크기에서 점점 해왕성, 지구 크기와 같이 작은 행성으로 발전하고 있습니다. 크기(및 질량)가 작은 행성은 발견하기가 어렵습니다. 지구 크기는 대부분 암석형 행성으로 예상하고 있습니다. 생명체 존재와 관련하여, 지구와 유사한 온도를 가진 암석형 행성이 가장 중요합니다. 아울러 사회적으로 가장 큰 관심을 받고 있습니다. 2012년 1월 12일자(어제) Nature에 나온 논문을 보면, 우리 은하에 있는 별들에서 약 17% 정도는 목성형 행성을 가졌고, 약 62% 정도는 슈퍼지구(지구 질량의 5-10배)를 가진 것으로 예측되었습니다. 크기(및 질량)이 작은 행성은 상대적으로 더 많을 것입니다. 발견하기 어렵지만요.

케플러는 설계수명이 3.5년 정도이고, 이 때문에 2009년 발사된 케플러의 발견 활동은 거의 올해 안에 사실상 종료될 것으로 예상됩니다. 이후에 행성 발견 연구들은 어떻게 전개될까요?

일반적인 우주 미션의 경우와 같이, 케플러 망원경도 설계수명보다 1-2년 정도 더 운영될 가능성이 높습니다. 기존의 관측 자료로 발견한 후보들을 지상망원경으로 확인 관측하는 연구들이 당분간 활발할 것입니다. 케플러 위성 이후에도 미국 NASA 등에서 좀 더 큰 우주망원경을 발사하는 우주 미션(SIM Planet Quest, Terrestial Planet Finder 등)을 추진하는 것으로 알고 있습니다.

“현재까지 발견한 외계행성만으로도 태양계 행성의 특성과 다른 것들이 많습니다.“오! 이런 행성도 있구나” 하는 놀라움을 줍니다. 이런 발견은 우리가 우주와 천문 현상을 이해하는 지식의 창을 넓히는 계기가 됩니다. 외계행성은 우주에 널리, 대부분 별들에 존재한다고 예측되고 있습니다. 앞으로 발견될 지구 쌍둥이 행성, 행성 주위를 공전하는 외계위성 등도 우리의 지식 창문을 더 넓힐 수 있을 것입니다.”

국내에서도 2009년에 ‘별을 2개 지닌 행성’을 발견한 것을 비롯해, 여러 발견들을 이뤄냈지요? 국내에서 이뤄진 주요한 외계행성 발견들은 어떤 것이 있는지요? 몇 개나 되는지요?

2009년에 2개의 별 주위를 공전하는 2개의 외계행성을 발견해서 미국 천문학회지에 발표했습니다. 이 논문은 2011년 2월에 미국 천문학회지에서 발표한 “인용도가 가장 높은 5개 논문”에 포함되기도 했습니다. 이 연구는 소백산천문대에서 2000년부터 9년간 관측한 자료를 주로 이용하였습니다. 2008년에 <사이언스>에 발표한 논문을 포함하여 중력렌즈 방법으로 10개 행성을 국제공동연구팀과 같이 발견했습니다. 이 국제공동연구팀에는 천문연 연구자들과 충북대 한정호 교수님이 포함되어 있습니다. 국내에서 가장 큰 보현산천문대 1.8m 망원경으로는 시선속도 방법으로 현재까지 3개를 발견하였으며, 모두 천문연 연구자들이 주도한 것입니다.

외계행성들이 700여개나 발견되다보니 이제는 외계행성 발견 자체보다, 무언가 부가적인 의미를 지닌 외계행성을 발견했을 때에야 주목을 받는 것 같습니다. 이런 점과 관련해 외계행성 탐색연구의 흐름은 어떤 방향으로 변화하고 있는지요?

현재까지 발견한 720여개의 대부분은 목성형 행성입니다. 최근의 추세로 보면 외계행성의 숫자는 기하급수적으로 늘어날 것이기 때문에, 1-2개를 발견해서는 국제 저널에 논문을 발표하기 어렵습니다. 그렇지만 특이한 행성, 사회적으로 관심이 될 만한 행성은 여전히 발견 그 자체로 중요할 것입니다. 크기와 질량이 지구보다 작은 행성이나 생명체가 존재할 가능성이 있는 행성은 아직까지 몇 개뿐입니다. 원시가스덩어리에서 초기 생성과정을 밟고 있는 행성이나 홀로 떠돌아다니는 행성도 통계적으로 충분하지 않습니다. 무엇보다 연구의 촛점은 태양-지구와 물리적 특성이 같은 쌍둥이 행성계가 될 것 같습니다. 외계생명체 연구나 행성계 생성 연구에 중요하니까요. 외계위성(Exomoon)의 발견도 초미의 관심사입니다.
 

이미 발견된 외계행성을 다양한 관측 방법으로 정밀하게 연구하기도 합니다. 가장 중요한 분야는 행성의 대기에 관한 것입니다. 외계행성의 대기가 어떻게 구성되었는지 조사하는 것이지요. 매우 큰 망원경이 필요한 분야이기는 하지만 최근 1-2년 사이에 첫발은 띤 것 같습니다. 2020년경 30m급 망원경이 만들어지면 외계행성 대기성분에 연구가 더욱 활발할 것입니다.

우리 태양계의 상상도. 출처/ NASA

지금까지 발견의 성과들로 미루어 볼 때에, 특히나 관심의 대상이 되는 ‘생명체가 살 수 있는 행성’은 어떤 조건을 갖추었을 때에 가능하다고 행성연구자들은 보고 있는지요?

가장 중요한 것은 행성 온도입니다. 별로부터 적절한 거리에 떨어져 있어서 행성의 평균온도가 물이 존재할 수 있는 0∼100도이면 생명체가 살 수 있는 행성이라고 생각합니다. 아무래도 목성과 같은 가스형 행성보다는 지구와 같은 암석형 행성에 초점이 맺혀 있습니다.

발견된 외계행성들 덕분에 우리 태양계의 형성과정을 이해하는 데에 어떤 새로운 시사점을 얻고 있는지요?

외계행성 발견 숫자가 늘어남에 따라 이제는 외계행성이 존재한다는 것이 상식이 되었습니다. 우주 어디인가에 지구와 같은 행성이 많이 있다는 것이 증명되었습니다. 태양계와 달리 별에 매우 가깝게 붙어있는 행성도 많이 발견되었고(6시간에 한번 공전하는 행성도 발견됨), 금속함량이 낮아서 행성이 잘 생성될 것 같지 않는 별 주위에서도 행성이 발견되었습니다. 또 암석형 행성과 가스형 행성이 공전궤도 상에서 서로 섞여있는 행성계도 발견되었습니다(태양계 행성은 수성부터 화성까지는 암석형 행성이고, 이보다 멀리 떨어져있는 목성, 토성 등은 모두 가스형 행성임. 즉, 태양과 가까운 쪽에는 암석형, 먼 쪽에는 가스형 행성만이 존재). 우리가 알지 못했던 새로운 형태의 행성/행성계가 발견됨에 따라 행성계 형성 이론에 좀 더 진전이 이루어진 것 같습니다. 원시가스가 회전하면서 원반 형태로 별과 행성이 만들어지는 태양계 형성 과정의 큰 틀은 변하지 않았습니다.

우리나라도 외계행성 탐색 프로그램을 본격화한다는 얘기를 들었습니다. KMT가 그런 사업의 하나라는데, 이 사업의 기본 내용을 소개해주신다면?

우리나라에서도 외계행성 탐색 연구를 본격적으로 진행하고 있습니다. 기존에 천문연에서 운영하는 보현산, 소백산, 미국 레몬산천문대 망원경으로 15개 정도의 행성을 발견하였고, 현재도 꾸준히 국제공동연구자들과 함께 탐색 연구를 진행하고 있습니다.
 

2009년부터 천문연구원에서는 KMTNet(Korea Microlensing Telescope Network) 사업을 수행하고 있습니다. 이 사업에서는 호주, 칠레, 남아공화국에 직경 1.6m 광학망원경을 설치하여, 남반구에서 볼 수 있는 우리은하 벌지(bulge) 영역에 있는 수천만 개의 별들을 24시간 모니터링할 예정입니다. 연구의 최종 목표는 “생명체가 존재할 가능성이 있는 지구형 외계행성 발견”입니다. 앞에서 설명한 중력렌즈 방법과 별표면 통과 방법으로 행성을 탐색합니다. 망원경은 2014년에 설치가 완료되고 2015년부터 본격적인 행성 탐색에 들어가며, 매년 천여 개의 외계행성을 발견할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 중력렌즈 방법은 지상망원경으로 지구형 외계행성을 탐색할 수 있는 거의 유일한 방법이며, 다수의 외계행성 발견을 통해, 행성의 특성과 형성 과정에 관한 통계적인 연구를 수행할 수 있습니다.

한국천문연구원 보현산천문대. 출처/ KASI

외계행성들을 더 많이 발견하게 되면, 우리가 우주와 천문를 이해하는 방식에도 어떤 변화가 생길까요? 또는 외계행성의 다량 발견 이후에 어떤 변화가 생겼나요?(예컨대, 외계행성 또는 유사 태양계는 생각보다 훨씬 더 많다거나)

현재까지 발견한 외계행성만으로도 태양계 행성들의 특성과 다른 것이 많습니다. “오! 이런 행성도 있구나”하는 놀라움입니다. 이런 발견은 우리가 우주와 천문 현상을 이해하는 지식의 창을 넓히는 계기가 됩니다. 외계행성은 우주에 널리, 대부분의 별들에 존재한다고 예측되고 있습니다. 앞으로 발견될 지구 쌍둥이 행성, 행성 주위를 공전하는 외계위성 등도 우리의 지식 창문을 더 넓힐 수 있을 것입니다.