외계행성 — 태양 너머의 세계들
51 Pegasi의 첫 흔들림에서부터 가장 가까운 항성을 도는 행성까지 — 우리가 발견한 세계들, 어떻게 발견했는지, 그리고 자신의 하늘에서 어디를 보아야 하는지에 대한 안내서.
외계행성이란?
외계행성(“태양계 외 행성”의 줄임말)은 태양이 아닌 다른 항성을 공전하는 행성을 말합니다. 인류 역사 대부분 기간 동안 우리는 단 여덟 개의 행성 — 우리 태양계의 세계들 — 만 알고 있었습니다. 오늘날 그 수는 5,800개 이상이 확정되었으며, 매달 늘어나고 있습니다.
그 숫자조차 엄청난 과소평가입니다. NASA의 Kepler 우주 망원경 — 2009년부터 2018년까지 우리 은하의 한 영역을 응시하며 약 15만 개의 별에서 행성 통과로 인한 주기적 감광을 관측한 행성 탐사 임무 — 은 우리 은하의 사실상 모든 별이 적어도 하나의 행성을 가진다는, 그리고 작은 암석 세계가 가스 거인보다 더 흔하다는 통계를 이끌어내기에 충분한 자료를 만들어냈습니다. 우리 은하에는 수천억 개의 별이 있습니다. 그 함의는 행성이 드문 우주적 우연이 아니라 — 일반적인 규칙이라는 것입니다.
이 세계들 중 어느 것도 아마추어 망원경(또는 대부분의 전문 망원경)에서 원반으로 보이지 않습니다. 확정된 거의 모든 외계행성은 간접적으로 — 모항성의 빛에 미치는 미세한 영향을 통해 — 검출되었습니다. 그러나 모항성 자체는 충분히 우리 시야 안에 있습니다. 어떤 별들은 어두운 밤에 맨눈으로 볼 수 있을 정도로 밝습니다.
간략한 역사
수세기 동안 다른 행성의 존재는 철학적인 질문이었습니다. 최초의 확정된 검출은 1990년대에 이르러서야 이루어졌고, 그것도 누구도 예상하지 못한 순서로 다가왔습니다.
최초로 확정된 외계행성들은 처녀자리의 밀리초 펄서 PSR B1257+12를 공전하는 것으로 발견되었습니다. Aleksander Wolszczan과 Dale Frail은 펄서의 신호에서 타이밍 불규칙성을 측정하고 이것이 공전하는 천체에 의한 것임이 틀림없음을 보였습니다. 두 개의 작은 행성이 발표되었고, 1994년에 세 번째가 뒤따랐습니다. 펄서는 항성의 잔해이므로 누구도 기대했던 종류의 세계는 아니었지만 — 행성이 다른 곳에도 존재한다는 것을 증명했습니다.
Michel Mayor와 Didier Queloz는 51 Pegasi (현재 공식 명칭은 Helvetios) 주위의 행성을 발표했습니다. 이 별은 50광년 거리에 있는 평범한 G형 항성입니다. 그 행성 51 Pegasi b는 목성 질량의 세계로 단 4.2일 만에 모항성을 한 바퀴 돕니다. 어떤 교과서도 가스 거인이 모항성에 그렇게 가깝게 존재할 수 있다고 예측하지 못했으며, 이 발견은 행성 형성 이론을 하룻밤 사이에 새로 썼습니다. Mayor와 Queloz는 그 공로로 2019년 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다.
백조자리와 거문고자리의 한 영역에 고정 조준된 NASA의 Kepler 임무는 단독으로 알려진 외계행성의 수를 한 자릿수 더 늘렸으며, 작은 지구 크기의 세계가 흔하다는 것을 증명했습니다. 2018년 발사된 Kepler의 전천 후속 임무 TESS는 그 이후로 가까운 표적을 계속 추가해 오고 있습니다.
유럽남방천문대는 Proxima Centauri b 를 발표했습니다 — 적색왜성 Proxima Centauri의 생명체 거주 가능 영역을 도는 대략 지구 질량의 행성입니다. Proxima는 태양에 가장 가까운 별로, 단 4.24광년 거리에 있습니다. 갑자기 가장 가까운 알려진 외계행성이 동시에 잠재적으로 온화한 암석 세계가 된 것입니다. 이는 우리가 가진 가장 많이 연구된 외계행성계이며, 미래의 어떤 성간 탐사선에 대해서도 가장 그럴듯한 표적입니다.
발견 방법
행성은 모항성보다 수백만 또는 수십억 배 더 어두우며 그 눈부신 빛 속에 자리합니다. 다섯 가지 기법이 확정된 거의 모든 검출을 만들어냈습니다.
행성과 모항성은 모두 공통 질량 중심을 공전합니다. 별이 우리 쪽으로 움직일 때는 빛이 약간 청색 편이를 보이고, 멀어질 때는 약간 적색 편이를 보입니다. 고분해능 분광기는 이러한 편이를 ~1 m/s 수준 — 사람의 걷는 속도 — 까지 측정할 수 있습니다. 이것이 51 Pegasi b가 발견된 방법이며, Proxima b가 확정된 방법입니다. 질량이 크고 가까운 행성에 가장 적합합니다.
행성의 궤도가 우리 시점에서 정면(edge-on)에 놓여 있다면, 한 공전당 한 번씩 모항성 앞을 지나며 빛의 미세한 일부 — 통상 0.01%에서 1% — 를 가립니다. 반복적이고 주기적인 감광이 행성의 존재를 드러냅니다. 이것이 Kepler와 TESS의 주력 방법이며, 알려진 외계행성의 대부분이 이 방법으로 발견되었습니다. 기하 조건이 맞아야 하므로 통과는 실제 행성 중 적은 비율만 포착하지만, 포착된 것은 매우 잘 특성화됩니다: 우리는 행성의 반지름을 얻으며, 후속 시선속도 측정으로 질량을 얻고 따라서 밀도를 얻습니다.
가장 어려운 방법 — 말 그대로 행성을 사진으로 찍는 것입니다. 이를 위해서는 모항성에서 멀리 떨어진, 젊고 밝으며 스스로 빛을 내는 행성과, 모항성의 눈부심을 억제하기 위한 영웅적인 광학(코로나그래프, 적응광학, 스타셰이드)이 필요합니다. 고전적인 성공 사례는 HR 8799 주위의 4행성계로, 네 거인 행성이 모두 분해되어 궤도를 따라 추적되었습니다. Beta Pictoris b는 또 다른 기준 사례입니다. 이 방법은 또한 경계해야 할 사례도 만들어냅니다: Fomalhaut b의 유명한 Hubble “사진” (2008년)은 후에 Gáspár & Rieke (2020년)에 의해 행성이 아니라 미행성 충돌에서 비롯된 팽창하는 먼지 구름인 것으로 밝혀졌습니다. 직접 촬영은 우리에게 행성 자체 대기의 스펙트럼을 제공하며, 이는 다른 방법으로는 매우 얻기 힘든 정보입니다.
한 별이 다른 별 앞을 정확히 지날 때, 그 중력은 배경별의 빛을 휘게 하고 증폭시킵니다. 전경 별 주위의 행성은 그 밝아짐에 짧은 이차 첨두를 더합니다. 미세렌즈는 큰 궤도 거리의 행성과, 심지어 모항성이 전혀 없는 자유 부유 떠돌이 행성에도 민감합니다 — 이러한 개체군은 별의 수에 필적할 것으로 추정됩니다.
위치천문학은 하늘에 대해 별이 좌우로 흔들리는 미세한 움직임을 측정합니다 — ESA의 Gaia 임무가 이 방법으로 수천 건의 검출을 제공할 것으로 예상됩니다. 펄서 타이밍은 펄서 전파 빔의 주기를 관측하여 궤도로 인한 지연을 찾습니다. 정밀도는 절묘하지만 펄서인 드문 소수의 별에만 적용 가능합니다.
관측할 수 있는 유명한 모항성
행성 자체는 볼 수 없지만, 그 태양들은 분명히 볼 수 있습니다. 다른 세계를 가지고 있다는 것을 알고 있는 별에 망원경을 향하는 일은 관측에서 다른 어떤 것과도 견줄 수 없는 작고 조용한 즐거움입니다.
밝은 모항성 — 맨눈 또는 쌍안경
맨눈으로 쉽게 보이는 주황색 거성입니다. Pollux b는 1.6년 궤도의 목성급 행성으로, 2006년에 시선속도법으로 발견되었습니다.
단 11.9광년 거리에 있는, 가장 가까운 단독 태양형 별입니다. 여러 슈퍼지구 후보가 보고되었고, 그 중 둘은 잠재적으로 생명체 거주 가능 영역에 있습니다. 오랜 세월 SF의 단골 소재였던 데에는 그만한 이유가 있습니다.
10.5광년 거리에 있는 젊은 K형 왜성으로, 알려진 목성 질량 행성 하나와 적어도 두 개의 잔해 띠를 가지고 있습니다 — 아마도 젊은 시절의 우리 태양계와 닮았을 행성계입니다.
1999년 이 별은 여러 행성을 거느린 것으로 확정된 최초의 태양형 별이 되었습니다. 현재 적어도 네 개의 행성이 알려져 있습니다.
외계행성 역사에서 표제어와 같은 이름 — 행성을 거느린 것으로 확정된 최초의 평범한 별(1995년)입니다. 어두운 하늘에서는 맨눈으로 보이며, 어디서나 편안한 쌍안경 표적이 됩니다.
어두운 모항성 — 적색왜성 망원경 표적
우리 은하 행성 대부분은 M형 왜성 — 작고 차가우며 풍부한 적색 별 — 을 공전합니다. 개별적으로는 희미하지만, 가장 가까운 것들은 어떤 괜찮은 망원경으로도 닿을 수 있는 거리에 있습니다.
알려진 가장 가까운 외계행성 모항성, 그 어떤 단서도 없이. 4.24광년 거리에 있는 적색왜성으로, 빛나는 Alpha Centauri AB 쌍과 중력적으로 결합되어 있습니다. Proxima b(2016년)는 대략 지구 질량이며 생명체 거주 가능 영역을 공전합니다. 두 번째 행성 Proxima c는 2019년에 추가되었습니다. Alpha Cen A와 B 자체도 행성 주장의 오랜 역사를 가지고 있습니다 — Alpha Cen Bb(2012년 발표, 2015년 철회)와 Alpha Cen A 주위의 미확정 JWST 중적외선 후보(2021년)를 포함하여 — 하지만 아직 확정된 세계는 없습니다. 북유럽에서는 도전적인 표적(적위 −62°)이지만, 남반구 위도에서는 반드시 봐야 하는 대상입니다.
2000년대에 생명체 거주 가능 영역의 슈퍼지구가 처음으로 주장된 곳으로 유명해진 가까운 M형 왜성계입니다. 그 행성 중 몇 개는 확정되었고, 다른 것들은 여전히 논쟁 중입니다. 역사적으로 중요한 행성계입니다.
네 개의 행성을 가진 M형 왜성계 — 적색왜성 주위에서 발견된 최초의 다중 행성계이자, 거인 행성들 사이에 명확한 궤도 공명의 증거를 보여준 최초의 사례입니다.
저 너머에는 어떤 종류의 세계가 있을까?
외계행성 시대의 가장 큰 놀라움은 이 세계 대부분이 얼마나 낯선가 하는 점입니다. 알고 보니 우리 태양계는 대표적인 표본이 아니었습니다.
목성 크기 또는 그 이상의 가스 거인이지만, 수성이 태양을 도는 거리보다 더 가까이 모항성을 공전합니다. 표면 온도는 1,000 K에서 3,000 K. 검출이 쉬우며, 태양형 별 주위에서 발견된 최초의 행성 종류였습니다 — 51 Pegasi b가 그 원형입니다.
우리 은하에서 가장 흔한 행성 종류입니다. 슈퍼지구는 지구 반지름의 1–2배 크기인 암석 세계이며, 미니해왕성은 두꺼운 가스 외피를 가진 약간 더 큰(2–4배) 행성입니다. 우리 태양계에는 이런 것이 하나도 없습니다 — 지구와 해왕성 사이의 빈틈은 보편적인 패턴이 아니라 우리 태양 행성계의 특이성입니다.
한 해 전체가 단 몇 시간 동안 지속되는 세계입니다. 어떤 것은 모항성에 너무 가까워서 표면이 녹은 암석이며, 대기가 있다면 그것은 암석 증기입니다.
모항성 없이 성간 공간을 떠도는 자유 부유 세계입니다. 미세렌즈 탐사는 이들이 별 자체만큼이나 많을 수 있다고 시사합니다 — 거대하고 어두우며 산재한 개체군입니다.
성배입니다. 대략 지구 크기, 대략 지구 질량의 행성이 오래 사는 별의 생명체 거주 가능 영역을 공전하는 것. 우리는 그럴듯한 후보 몇 개를 가지고 있습니다 — Proxima b, 안쪽 TRAPPIST-1 세계들, 여러 Tau Ceti 후보 — 하지만 아직 확실한 쌍둥이는 없습니다.
생명체 거주 가능 영역
생명체 거주 가능 영역이란 적절한 종류의 대기를 가진 암석 행성이 그 표면에 액체 물을 그럴듯하게 유지할 수 있는 항성 주위의 궤도 거리 띠를 말합니다. 너무 가까우면 바다가 끓어 사라지고, 너무 멀면 얼어붙습니다.
태양의 경우 이 영역은 대략 지구 궤도 안쪽에서 화성 너머까지 이어집니다. Proxima Centauri 같은 차가운 적색왜성의 경우 훨씬 더 안쪽 — 지구의 태양으로부터의 거리의 몇 퍼센트 — 에 위치합니다. 이것이 11일 궤도의 Proxima b가 여전히 생명체 거주 가능 영역 후보인 이유입니다: 그 별은 우리 태양보다 훨씬 차갑기 때문입니다.
“생명체 거주 가능 영역”이란 단지 액체 물이 기하학적으로 가능하다는 뜻일 뿐입니다. 대기, 자기권, 또는 온화한 기후와 같은 어떤 것도 보장하지 않습니다. 화성은 기술적으로 태양의 생명체 거주 가능 영역 안에 있지만, 우리가 여기 있는 이유가 거기에 있죠. 그래도 여전히 찾기 시작하기에 적절한 곳이며, 확정된 생명체 거주 가능 영역 행성의 수 — 외계행성 카탈로그 상단에 표시됨 — 는 이 분야에서 가장 주목받는 숫자 중 하나입니다.
목록 둘러보기
Nightbase는 전체 NASA 외계행성 아카이브 를 미러링합니다: 확정된 모든 외계행성, 그 모항성, 발견 방법, 궤도, 그리고 측정된 속성을 모두 포함합니다.
발견 방법(시선속도, 통과, 직접 촬영…)별로, 행성 반지름별로, 또는 행성이 모항성의 생명체 거주 가능 영역에 있는지 여부로 필터링하세요. 연도, 거리, 주기 또는 질량으로 정렬할 수 있습니다. 페이지 상단의 발견 타임라인은 시작하기에 좋은 곳입니다 — 30년에 걸친 검출의 이야기를 한눈에 보여줍니다.
