Albireo's Hack the Dot

2010년 08월 1일

우리 태양과 같이 수소를 태우는 별, 즉 주계열성 주변을 공전하는 것으로 확인된 최초의 외계행성으로는 1995년 스위스의 Michel Mayor 팀이 Haute Province 천문대의 193 cm 망원경을 이용하여 radial velocimetry 법으로 찾아낸 51 Peg b가 최초로 알려져 있습니다.

행성을 품고 있는 모성의 규칙적 움직임에 따른 doppler 편이를 감지해 내는 radial velocimetry.

Radial velocimetry는 모성과 외계행성이 서로 간의 공통된 중력 중심점을 도는 과정에서 초래되는 모성의 미세한 규칙적 흔들림을 감지해 내는 방법으로, 모성이 미세하나마 지구와 가까워졌다 멀어졌다를 반복하며 발생하는 도플러 효과로 인한 모성 스펙트럼의 주기적인 편이 현상을 밝혀 내는 것입니다. 51 Peg b의 경우 목성의 절반 만한 질량을 가진 큼지막한 행성이 모성에 0.05 천문단위로 바짝 붙어서 불과 4일 주기로 빠르게 공전하는 것으로 드러났습니다.

51 Peg b의 radial velocity 변화 곡선.

태양계 내의 풍경에 익숙한 우리에겐 상상하기조차 어려운 이색적 풍경이겠지만, 51 Peg b를 필두로 그와 유사한 소위 hot jupiter들의 발견 사례가 폭증하여 이젠 비교적 흔한 경우가 되어 버렸습니다.

사실 존재가 확인되었던 최초의 외계행성은 51 Peg b에 3년 앞선 1992년 폴란드의 Alexander Wolszczan 팀이 발견한 펄사 PSR 1257+12 주변을 도는 세 개의 행성이었습니다.

펄사 PSR 1257+12 행성계와 태양계의 비교.

중성자별의 주기적 전파 방출이 방해를 받는 양상을 감지하여 그 주변을 도는 행성의 존재를 가늠하는 소위 pulsar timing 기법을 이용했는데 PSR 1257+12의 경우 행성 공전 속도는 무려 1.5 ms로 측정되었습니다.

앞서 언급한 두가지 기법 - radial velocimetry와 pulsar timing - 은 간접적으로 외계행성의 존재를 증명하기 위한 방법으로서, 간접법에는 이 외에도 astrometry와 photometry가 더 있습니다. Astrometry는 모성과 외계행성이 공통된 중력 중심점을 도는 과정에서 초래되는 모성의 움직임, 말하자면 밤하늘 상에서 모성의 미세한 위치 변화를 감지해 내는 방법입니다.

위 그림은 우리 태양으로부터 10 parsec 떨어진 거리에서 astrometry 법으로 관측될 태양의 위치 변화로서 눈금 한 칸의 길이는 1 mas(즉 1천 분의 1 초각)입니다. 이와 같은 태양의 겉보기 운동은 주로 목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 같은 거대 가스 행성의 영향이 결정적인 반면 지구의 영향은 극히 작은 것으로 되어 있습니다. 알려진 바에 따르면 지구상의 현역 망원경과 CCD 시스템으로 구분해 낼 수 있는 astrometry 상의 정밀도는 10 mas 정도가 한계로 되어 있습니다. 현 기술로 지구형 행성의 존재를 찾아내기 어려운 일면을 보여줍니다. 이를 극복하기 위해서 우주망원경을 이용하는 방법, 혹은 두 개 이상의 망원경을 동원하는 interferometry 기법 등 개량된 astrometry가 기대를 받고 있습니다.

Photometry는 모성의 미세한 밝기 변화를 파악하여 행성의 존재를 간접 증명하는 방법으로, 행성이 모성과 지구 사이를 공전해 지나가면서 모성을 부분적으로 차폐하여 규칙적으로 어둡게 보이도록 하는 transit을 포착하는 법이 있고(이것이야 말로 현실적으로 아마튜어가 중소형급 망원경과 CCD로 수행할 수 있는 관측법이 됩니다), 이와 별개로 외계행성계의 중력장에 의해 배경 별의 밝기가 증폭되는 양상을 추적하여 외계행성의 존재 가능성을 점치는 microlensing 기법도 포함됩니다.

요컨대 외계행성의 존재를 간접적으로 증명해 낼 수 있는 관측법으로는 radial velocimetry, pulsar timing, astrometry, photometry 등이 있는데, 그 가운데 제가 시도하고자 하는 방법은 photometry, 그 중에서도 photometric transit이 될 것입니다. 따라서 이 후 photometric transit에 대해 집중적으로 정리해 나가겠습니다.