가장 직관적인 외계 행성의 발견 방법 - 횡단법(Transit method)

2021년 6월 현재, NASA Exoplanet Archive에 따르면 확인된 외계 행성의 숫자는 무려 4,424개이다. 이들 중 대부분은 행성 사냥꾼이라고 불리는 Kepler 탐사선과 그의 후계자인 TESS 탐사선에 의해서 발견이 되었다. Kepler 탐사선이나 TESS 탐사선이 행성 관측에 이용한 횡단법(Transit method)은 외계 행성이 모항성 앞을 지나갈 때 모항성의 광구 밝기 차가 생김을 이용하여 행성의 존재와 크기 등의 기본 성질을 파악하는 방법이다.

물론, 행성의 궤도가 관측자를 기준으로 완벽히 정렬되어야 관측이 가능하며 행성의 궤도가 커야 관측이 쉽다는 단점이 있지만, 상대적으로 쉽고 직관적인 방법 때문에 외계 행성 관측에 가장 많이 이용되는 방법이다. 탐사선에 분광기가 탑재되어 있다면 행성이 모항성 앞을 지나갈 때 외계 행성의 대기 성분 및 두께에 관한 정보들도 얻을 수 있다.

CoRoT 미션: 외계행성 - 성진학(asteroseismology) 투트랙 연구

생명체 거주 가능 영역(Habitable zone 혹은 골디락스 영역이라고 부름)에 존재하는 지구의 형제 행성을 관측하기 위해서 2006년 프랑스 우주국(CNES)과 유럽 우주국(ESA)이 합작하여 쏘아 올린 CoRoT (COnvection ROtation et Transits planetaires) 우주 망원경도 횡단법을 이용한다. 지구의 형제 행성이란 암석이나 고체로 이루어진 암석형 행성(Terrestrial planet)을 일컫는다. CoRoT 우주 망원경은 유럽에서 처음으로 외계 태양계에 있는 골디락스 행성을 탐험하기 위한 미션이다.

특이한 점은 CoRoT 우주 망원경의 카메라가 두 개의 독립적인 카메라들로 구성되었다는 점이다. 카메라의 절반은 외계 행성을 찾도록 설계되었으며 나머지 절반은 음파(acoustic wave)로 인한 별빛의 미묘한 변화를 감지하도록 설계되었다. 음파가 별의 내부를 관통하는 속도를 이용하여 별의 나이를 비롯하여 밀도, 온도, 화학조성 등의 내부 성질과 구조를 알 수 있는데 이는 기본적으로 지구에서의 지진(Earthquake)과 비슷하다.

이처럼 별의 진동에 대해 연구하는 세부 분야를 성진학(asteroseismology 혹은 지진학이라고 부름)이라고 부르는데, CoRoT 우주 망원경은 성진학을 연구함으로써 보이지 않는 항성 내부에 관해서 연구함을 목표로 한다. CoRoT 우주 망원경이 별의 연구에 성진학을 이용했던 것은 1996년 유럽 우주국과 미항공우주국의 합작품이었던 SOHO(Solar and Heliospheric Observatory) 탐사선이 수년 동안 태양을 조사한 결과 성진학이 별의 내부 상태를 조사하는 매우 성공적인 방법이라는 점을 밝혀냈고 천문학자들은 이 기술을 다른 별로 확장하기를 원했기 때문이다. CoRoT 우주 망원경은 최소 50개의 특정한 별을 관측하며 여러 다양한 크기와 성질의 별을 선택함으로써 항성 진화에 관한 힌트를 얻을 목적으로 시작되었다.

CoRoT 우주 망원경의 투트랙 연구는 매우 현명한 선택이다. 외계 태양계에서 지구와 비슷한 행성을 발견하더라도 우리 태양과 같은 이상적인 모항성이 존재한다면 생명체에 더없이 친화적일 수 있기 때문이다. 태양을 비롯한 외계 태양계의 별은 태양계의 가장 중요한 에너지원이며 행성 표면에 생명체가 살아가는 데 필수적인 환경을 만들어 줄 수 있다.

CoRoT 우주 망원경의 페이로드 그리고 7년간의 관측

CoRoT 우주 망원경의 페이로드는 망원경, 2개의 카메라(외계 행성 탐색 및 성진학 탐구용) 및 망원경 탑재용 컴퓨터로 구성되어 있다. 프랑스 우주국을 중심으로 이끌며 오스트리아, 스페인, 독일, 벨기에, 그리고 브라질이 참여하여 데이터 처리 장치 등을 포함한 컴퓨터 관련 설계, 구축, 그리고 테스트를 담당했으며 유럽 우주국은 망원경과 광학 장비를 담당했다. 망원경의 외부에는 배플(baffle)이라고 불리는 장비가 탑재되었는데, 이는 망원경이 관측하고 있는 물체를 제외한 다른 물체로부터 기원하는 빛들로부터 렌즈를 보호하기 위한 장비이다. 위 장비의 도움으로 인해서 망원경은 10만분의 1에 불과한 별빛의 변화까지도 감지할 수 있다.

2006년 12월 27일 러시아 소유즈 로켓과 함께 발사된 CoRoT 우주 망원경은 2007년 1월 18일 첫 번째 관측에 성공했으며 2월부터 과학적인 자료를 수집하기 시작했다. 관측을 시작한 지 불과 3개월도 안되었을 때 첫 번째 외계 행성인 CoRoT-1b를 발견했으며 본래 임무 예정 기간이었던 2년 6개월을 훌쩍 넘어서 7년 5개월이 넘는 시간 동안 관측과 연구를 수행했다. 2012년 말에 컴퓨터에서 오류가 발생하였으나 수리에는 끝내 실패했으며 2014년 6월을 마지막으로 대기권에 진입하며 임무 종료를 알렸다.

CoRoT 우주 망원경의 결과

CoRoT 망원경은 이전 까지 지상 망원경으로는 관측이 불가능했던 ppm 수준에서의 태양 밝기 변화를 감지하며 진동을 측정함으로써 새로운 과학적 결과를 제공했다. CoRoT 관측팀은 첫 6년 동안 약 150개의 밝은 별과 150,000개 이상의 어두운 별들을 관찰했으며 이들이 광도와 표면온도의 관계를 보여주는 Hertzsprung-Russell 도표에서 어느 곳에 위치하는지 확인했다. CoRoT 관측팀은 여러 외계 태양들에서 태양과 유사한 진동을 감지해냈으며 적색 거성에서 비 방사성 진동도 감지해냈다.

외계 행성 분야를 살펴보면 최근 2019년 CoRoT 관측팀은 망원경의 궤도 이탈 5주년을 기념하여 그간의 연구를 종합하였고 행성 및 행성 후보의 목록을 발표했다. 2016년 부터 CoRoT 관측팀은 CoRoT 우주 망원경이 관측한 모든 광도 곡선을 자세히 검토하며 행성 그리고 행성 후보들을 분류하기 시작했다. 그 결과, CoRoT 관측팀은 2007년 1월부터 2012년 10월까지 5년간의 임무 수행 하는 동안 총 160,000개의 별을 관찰하여 170,000개 이상의 광도 곡선을 얻었으며 최종적으로 557개의 후보 행성 중에서 37개의 행성과 갈색 왜성을 공식적으로 발견했다고 밝혔다.

CoRoT 망원경은 성공적으로 임무를 수행했지만, 사실 충분한 자료를 수집하기 위해서 5년은 긴 시간이 아니다. 행성이 별에서 멀수록 전체 궤도를 완전히 도는데 더 오랜 시간이 걸리기 때문이다. 데이터 분석을 담당했던 마르세유 대학교의 천체 물리학자 마갈리 델로일 박사(Dr. Magali Deleuil)는 별을 가로지르는 단 한 번의 통과만으로 외계 행성의 존재를 확인할 순 있지만, 이는 기본적으로 별을 자세히 연구해야 가능한 일이라고 밝힌바 있다. 기본적으로 행성의 한번 횡단으로는 정확한 회전 주기를 알기 힘들다.  따라서 보통 외계 행성을 발견하는 다른 방법들, 예를 들어서 시선 속도법 (radial velocity method) 등을 이용하여 행성의 확인과 기타 정보들의 도움을 받곤 한다. 시선 속도법을 이용하면 추가로 별의 질량에 관한 정보를 알 수 있다는 장점이 있다. 이를 다시 횡단법에서 얻은 데이터와 병합한다면 행성의 평균 밀도를 추측할 수 있으며 이를 통해서 암석형 행성인지 가스형 행성인지에 등에 관한 기본적인 행성의 성질을 식별할 수 있다. CoRoT 망원경 역시 시선 속도법을 이용하는 스페인 테네리페의 지상국의 망원경들과  함께 관측을 진행하였으며 결과 교환등의 긴밀한 협력을 유지했다.

CoRoT이 최초로 탐지한 행성인 CoRot-1b는 뜨거운 목성형 행성이었으며 질량이 목성의 22배로 알려졌던 CoRoT-3b는 갈색 왜성과 행성 사이의 천체로 의심되었지만 3년 후 목성의 질량보다 25배 작음이 밝혀져 외계 행성으로 분류되었다. 주목할만한 발견 중에는 2009년에 발견된 CoRoT-7b 행성이 있는데, 이는 지구와 비슷한 구성을 가진 최초의 암석형 외계 행성이다. 위 행성의 반지름은 지구의 1.7배이며 질량은 대략 7.3배로 밝혀졌다. 위 행성계 역시 시선 속도법의 보강 관측을 통해서 또 다른 슈퍼 지구 CoRoT-7c가 있음이 발견되었다.

이외에도 CoRoT-8b은 해왕성과 비슷한 행성으로 질량은 목성의 1/5정도 임이 밝혀졌고 수성의 궤도와 비슷한 위치에서 외계 태양을 도는 목성 질량의 대략 80%정도를 지닌 신비로운 행성 CoRoT-9b도 발견되었다. CoRoT-7b과 CoRoT-9b은 적외선 슈피처 우주 망원경 (Spitzer Space Telescope)에 의해서 재발견되며 행성임이 다시 한번 확인되었다. 한 가지 재미있는 점은 CoRoT팀이 발견한 CoRoT-15b는 목성 질량의 63.3배임이 밝혀져 궤도에 있는 갈색 왜성임이 확인되었다는 점이다.

아직 행성으로 확인되지 않은 후보 행성 중 절반 정도는 아직 지상 망원경으로 관측되지 않았다. 이는 다음 후속 연구의 필요성을 시사한다. 위 후보들은 이미 2018년 4월에 발사된 NASA의 또 다른 행성 사냥꾼 TESS 우주 망원경의 관측 후보들이 되었으며 2024년 발사 예정인 유럽 우주국의 행성 사냥꾼 PLATO 임무와 같은 차세대 우주 망원경들의 과제가 되었다.