수백 광년 밖 별 옆에 행성이 있는지 없는지 가려내는 일. 축구장 조명 옆에서 반딧불이 한 마리 찾는 것과 비슷하다고 보면 된다. 별은 행성보다 수십억 배 밝아서, 렌즈에 별빛이 살짝만 새어 들어와도 옆에 있는 작은 행성은 흔적도 없이 묻힌다. 그래서 천문학자들은 별을 정면으로 마주 보지 않고도 행성의 존재를 캐내는 몇 가지 우회로를 만들어왔다. 최근 NASA가 낸시 그레이스 로먼 우주망원경에 실릴 ‘능동형 코로나그래프’를 공개하면서, 별빛을 지우는 촬영 기술이 다시 화제에 올랐다. 대표적인 외계행성 탐지법 4가지와 각각의 강점을 정리해봤다.
별빛에 묻힌 행성, 대체 뭐가 문제일까
외계행성은 스스로 빛나지 않는다. 별빛을 반사한 걸 봐야 하는데, 별과 행성의 밝기 차이가 태양-목성 조합에서도 10억 대 1 수준이다. 지구처럼 작고 어두운 행성이면 격차가 100억 배를 넘어가기도 한다. 그러다 보니 초기 외계행성 연구는 행성을 직접 찍기보다, 별의 밝기나 위치가 흔들리는 걸 보고 행성의 존재를 역으로 추정하는 쪽으로 발전했다.
트랜짓법, 별이 깜빡이는 그 순간을 잡는다
가장 흔히 쓰는 방법은 트랜짓법(통과 관측법)이다. 행성이 별 앞을 가로지를 때 별빛이 아주 살짝 어두워진다. 이 미세한 밝기 변화를 정밀하게 재서 행성의 존재와 크기를 짚어낸다. 케플러 우주망원경과 TESS가 이 방식으로 이미 수천 개의 외계행성을 찾아냈다.
- 장점: 짧은 시간에 별 여러 개를 동시에 감시할 수 있어 대량 탐사에 유리하다
- 단점: 행성 궤도면이 지구 시선과 거의 일직선이어야만 관측된다
- 대표 성과: 케플러-186f, TRAPPIST-1 행성계 등
시선속도법, 별의 흔들림을 쫓는다
행성은 별의 중력에 끌려다니기만 하는 게 아니다. 자기 중력으로 별을 아주 살짝 잡아당기기도 한다. 그래서 별은 공통 무게중심을 두고 미세하게 흔들리는데, 이 흔들림이 별빛 파장을 도플러 효과로 바꿔놓는다. 별이 지구로 다가올 땐 빛이 파란색 쪽으로, 멀어질 땐 붉은색 쪽으로 아주 조금씩 밀리는 걸 분광기로 잡아내는 게 시선속도법(도플러 편이법)이다.
- 장점: 행성의 질량을 비교적 정확히 계산할 수 있다
- 단점: 무겁고 별에 바짝 붙은 행성일수록 감지가 쉬워, 목성급 행성 위주로 발견된다
- 대표 성과: 1995년 발견된 최초의 외계행성, 페가수스자리 51b
직접촬영법과 코로나그래프, 별빛 자체를 지워버린다
트랜짓법과 시선속도법은 둘 다 별을 관찰해서 행성을 추리하는 간접적인 방식이다. 반면 직접촬영법은 말 그대로 행성의 빛을 카메라에 담는다. 문제는 앞서 말한 그 밝기 격차. 이걸 넘어서려고 쓰는 장비가 코로나그래프다. 망원경 안에 특수 마스크와 거울을 배치해서 별빛만 골라 가리고, 그 옆의 희미한 행성빛만 남긴다.
기존 코로나그래프는 고정된 마스크로 별빛을 막았는데, 최근 나온 능동형 코로나그래프는 모양을 실시간으로 바꾸는 변형 거울을 써서 별빛을 훨씬 촘촘하게 지운다. 이 방식이 실전에 투입되면 목성처럼 태양에서 멀리 떨어진 저온 가스 행성도 사진으로 직접 확인할 길이 열린다. 트랜짓법이나 시선속도법에서 별에 가까운 행성 위주로만 발견되던 한계를 넘어서는 셈이다.
- 장점: 행성의 색, 대기 성분까지 분석할 여지가 있다
- 단점: 초정밀 광학계가 필요해 비용과 기술 난도가 매우 높다
미세중력렌즈법, 우연이 만드는 단 한 번의 기회
별과 행성이 지구에서 봤을 때 다른 먼 별 앞을 우연히 지나가면, 중력 때문에 그 별빛이 렌즈처럼 휘면서 순간적으로 밝아진다. 이때 행성이 함께 있으면 밝기 곡선에 작은 신호가 하나 더 붙는데, 이걸 잡아내는 방법이 미세중력렌즈법이다.
- 장점: 별에서 멀리 떨어진 행성이나 떠돌이 행성도 찾아낼 수 있다
- 단점: 한 번 지나가면 다시 볼 수 없는 일회성 현상이라 재확인이 안 된다
상황별로 어떤 방법이 유리할까
목적에 따라 갈린다. 짧은 시간에 후보를 많이 걸러내려면 트랜짓법이 답이고, 행성의 정확한 질량이 궁금하면 시선속도법을 같이 돌린다. 대기 성분이나 실제 모습을 눈으로 확인하고 싶다면 직접촬영법과 코로나그래프 말고는 방법이 없고, 별에서 멀리 떨어진 외로운 행성을 찾는 데는 미세중력렌즈법이 강하다. 실제 연구 현장에서는 한 가지만 쓰는 경우가 오히려 드물다. 트랜짓법으로 후보를 찾고, 시선속도법으로 질량을 확인한 뒤, 직접촬영으로 검증하는 식으로 단계를 밟는 게 보통이다.
이것도 궁금하죠?
Q. 지구와 똑같은 행성도 사진으로 찍을 수 있나?
이론적으론 가능하다. 다만 지금 기술로는 지구형 행성의 밝기 격차가 워낙 커서 시간이 꽤 더 필요하다. 로먼 망원경의 코로나그래프는 일단 목성급 행성 촬영이 목표고, 지구형 행성 직접촬영은 다음 세대 망원경 몫으로 넘어갈 예정이다.
Q. 어떤 방법이 가장 많은 외계행성을 찾았나?
지금까지는 트랜짓법이 압도적이다. 케플러와 TESS, 이 두 미션만으로 찾아낸 외계행성 후보가 수천 개에 달한다.
MIT 테크놀로지 리뷰가 전한 바에 따르면, 이번 능동형 코로나그래프 소식은 이 기사에서 자세히 다뤘다.
AI리서치팀
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