기획·칼럼

제2의 행성 사냥꾼이 될 PLATO 미션

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] ESA 코스믹 비전 프로그램 (5) 플라토 미션

고대 그리스부터 시작된 행성에 관한 인류의 호기심

행성에 관한 인류의 관심은 고대 그리스 시절부터 활발하게 시작되었다. 고대 그리스 사람들은 천동설을 믿었지만, 지구를 중심으로 돌고 있다고 생각된 별들과 행성들을 구분하기 시작했다. 그들은 수성, 금성, 화성, 목성, 토성을 행성으로 구분했으며, 이에 관한 최초의 공식적인 기록은 기원전 360년에 작성되었다고 알려진 플라톤의 저서 티마이오스(Timaeus)에서 찾아볼 수 있다. 그는 책에서 태양, 달 그리고 다섯 개의 별(행성이라고 부르기 시작)을 언급했다.

칼시디우스(Calcidius)의 티마이오스(Timaios) 라틴어 번역본 © ibiblio.org

행성 사냥꾼 ‘케플러’ 탐사선 그리고 그의 후계자 ‘TESS’ 미션 

행성 탐사는 현재까지도 대중들이 가장 열광하는 천문학 프로젝트 중 하나이다.

현재까지 가장 유명한 행성 탐사 프로젝트는 단연 미 항공 우주국(NASA)의 케플(Kepler) 탐사선을 들 수 있다. 프로젝트의 본래 목적을 완벽히 수행한 케플러 탐사선은 ‘행성 사냥꾼’이라는 영광스러운 별명을 가지고 있다. 수천 개 이상의 외계행성이 케플러 탐사선을 통해서 발견 그리고 연구되었으며, 이로 인해서 인류 역사상 가장 성공했던 행성 프로젝트 중 하나로 평가받고 있다.

케플러 탐사선의 상상도 ©Kepler/NASA

케플러의 후계자는 2018년에 발사된 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)이다. 두 프로젝트는 공통점이 있다. 행성이 모항성을 지나갈 때 모항성이 내는 빛의 등급이 어두워지는 정도를 통해서 행성의 존재 더 나아가서 행성 반지름 등의 고유 특성을 예측하는 횡단법(Transit)을 이용한다는 점이다.

이 방법은 상당히 직관적이고 한 번에 수많은 별을 한꺼번에 관측할 수 있기 때문에 더욱더 빠른 속도로 행성을 찾을 수 있다는 큰 장점이 있다.

TESS의 상상도 ©TESS/NASA

행성 탐사에 관한 유럽의 노력들

반면 유럽 우주국(ESA)은 케플러 탐사선만큼 큰 반향을 일으킨 프로젝트가 부족했다.

물론 시선 속도법(Radial velocity)을 이용한 CARMENES 프로젝트 같은 경우 대중에 잘 알려지고 성공적인 프로젝트라고 평가받고 있지만, 시선 속도법을 이용한 방법은 많은 행성을 찾아 내기에 그다지 효과적이지 못하다.

이러한 이유로 CARMENES 프로젝트는 정교하게 300개의 항성만을 골라서 집중적으로 관측하는 방법으로 연구를 진행했다.

더 많은 지구 그리고 심지어 지구보다 생명체에 더 친화적인 환경의 행성 탐사 필요성을 느낀 유럽 우주국(ESA)은 새롭게 진행하는 코스믹 비전(Cosmic Vision 2015~2025)의 세부 프로젝트로 벌써 두 개의 행성 탐사 미션을 선정했다.

첫 번째로 선정된 외계행성 프로젝트는 횡단법을 이용하여 더욱더 정교한 관측을 목표로 하는 케오프스(CHEOPS) 탐사 프로젝트이며, 두 번째로 선정된 프로젝트는 민감도를 상당히 높여서 보다 강력하며 장시간 관측을 목표로 시작하는 플라토(PLATO – PLAnetary Transits and Oscillations of stars) 탐사 프로젝트이다.

독일 주립 천문대와 막스플랑크 연구소에서 직접 제작한 CARMENES 프로젝트의 분광기 모습 ©CARMENES/MPIA

플라토 프로젝트의 시작

플라토 미션은 현재 준비 중인 미션으로  2026년 발사를 목표로 하고 있다.

독일, 스위스, 및 오스트리아 등의 수많은 유럽 우주국 산하 연구소에서 모듈과 망원경을 직접 개발 중에 있으며 주요 임무는 최대 백만 개의 별을 가로지르는 행성의 통과를 관측하고 우리 태양과 비슷한 별들이나 우주에서 가장 많은 수를 차지하는 적색 왜성의 주변 지구형 암석 행성을 발견하는 데에 있다.

플라토 프로젝트는 서양 철학의 아버지라고 불리며 행성에 관한 정의를 내린 플라톤의 이름을 따서 명명되었으며, 케플러의 미션이 발사되기 전  2007년부터 제안된 프로젝트이다.

2017년 중반 유럽 우주국은 중간 규모의 미션 중 세 번째 과학 미션(M3)으로 플라토 미션을 최종 선정하였다.

플라토 탐사선에 쓰일 모든 페이로드와 과학에 관한 모든 운영과 연구를 담당하는 PLATO Mission Consortium은 독일 항공 우주 센터(DLR)를 중심으로 진행된다. 이 연구소 산하의 행성 연구 연구소장인 하이케 라우어 (Heike Rauer) 교수가 프로젝트를 이끌고 있으며, 망원경 디자인 및 설계는 이탈리아, 스위스, 스웨덴의 국가 연구소들이 제작하고 있다.

총 26개의 카메라가 장착될 예정이며, 이를 통한 다중 망원경 연구가 진행될 전망이다. 이 중 24개의 ‘일반’ 카메라들은 겉보기 8등급 보다 희미한 별들을 관측할 수 있으며, 2개의 ‘빠른’ 카메라들은 4등급에서 8등급까지 관측할 수 있다 (겉보기 등급이 낮을수록 밝은 별이며 높을수록 어두운 별). 모든 카메라는 6개의 렌즈가 포함될 예정이며 굴절망원경 형태로 제작된다.

플라토 미션의 상상도 © PLATO/DLR/ESA

플라토 프로젝트의 과학적인 목표

플라토 프로젝트는 지구와 닮은 혹은 지구보다 더 생명체에 친화적인 행성을 찾고자 하는 인류의 영원한 숙원을 풀고자 진행되고 있는 프로젝트이다.

지구는 현재 우리가 알고 있는 가장 생명 친화적인 행성이지만, 과학자들은 지구보다 약간 더 높은 습도와 온도는 생명체에 더욱더 적합할 것이라고 주장한다. 광활한 우주에는 지구와 꼭 닮은 행성도 있지만, 심지어 지구보다 더 생명체에 친화적인 행성들도 존재한다. 때문에 플라토 미션의 가장 중요한 과학적인 목표는 생명체에 더 친화적인 행성 찾기라고 할 수 있다.

우주 생명과학을 연구하는 과학자들은 생명체가 행성에서 출현하기까지 최소 수십억 년이 걸릴 것으로 추정하고 있다. 때문에 상대적으로 수명이 짧은 태양 같은 별보다는 다소 어둡지만 수백억 년 이상의 수명을 자랑하는 K 등급이나 M 등급의 어두운 별들이 생명체의 출현에는 더 적합할 수 있다.

이러한 과학적인 사실에 기반하며 시작된 CARMENES 프로젝트는 실제로 관측 데이터를 기반으로 생명체에 친화적인 수많은 행성들을 추려낸 바 있는데, 이 행성들 역시 플라토 미션의 중요한 타깃이 된다.  수많은 생명 친화적 행성 반경의 최대 3%까지, 행성 질량의 최대 10%까지 정확하게 관측하고 계산함을 목표로 하고 있다. 또한 항성 나이의 최대 10%까지 정확하게 예측함을 목표로 하고 있다.

두 번째 과학적인 목적은 행성 탐사를 바탕으로 별의 진동이나 지진 활동을 연구하여 모항성 질량과 진화를 측정하는 것이다. 이를 통해서 모항성의 나이를 포함한, 보다 정확한 별의 특성을 알 수 있게 된다.

이 두 가지 탐구를 통해서 최대한 많은 외계 행성계를 발견하고 생명체에 친화적인 외계 행성계에 관한 특징과 환경을 일반화시키며, 항성과 행성계에 관한 종속성을 연구함에 목표를 두고 있다.

또한 플라토 미션이 CARMENES 프로젝트의 결과를 바탕으로 진행되는 것처럼, 플라토 프로젝트 역시 후속 프로젝트에 중요한 결과를  제공 할 전망이다.

플라토 미션은 외계 행성의 대기를 조사하기 위한 후속 프로젝트(Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey)를 위한 좋은 표적의 식별 및 선정을 위한 분광학적 연구를 진행할 예정이기 때문이다.

플라토 망원경은 TESS 망원경보다 더 긴 시간 동안 관측할 예정이기에, 더 긴 주기를 가지고 항성을 공전하는 외계행성을 찾을 수 있다는 장점이 있다.

뛰어난 민감도를 자랑하는 플라토 망원경은 제2의 ‘행성 사냥꾼’이라는 별명을 얻게 될 기대가 큰 망원경이다. 케플러, TESS, 그리고 플라토가 관측한 수많은 행성을 통해서 인류는 수많은 제2의 지구에 관한 정보를 얻을 수 있을 것이다.

또한 Ariel 탐사선 같은 후속 프로젝트들이 성공적으로 진행된다면 어떠한 행성이 인류에 가장 최적화가 되어있는지도 알 수 있을 것으로 기대된다.

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