홍차넷 - 외계 행성을 (진지하게) 발견하는 방법

트라피스트-1(왼쪽)과 7개 주변 행성들의 상상도 (네이처 제공, 연합뉴스)

지구에서 39광년 떨어진 [항성계]에서 [지구형 행성] 7개가 발견되었다는 뉴스가 나왔습니다.

*항성: 태양처럼 스스로 빛을 내는 천체, 여기서는 트라피스트-1

*항성계: 태양계처럼 항성을 중심으로 여러 행성이 공전하고 있는 계

*지구형 행성: 기반이 고체로 이루어져 있고, 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도를 가진 천체 (지구랑 비슷한 크기인 경우가 많습니다)

위에 있는 사진처럼 그럴싸한 7개의 행성 이미지와 영상도 함께 공개되었는데요,

이런 이미지를 볼 때마다 아쉬운 건,

이 행성들을 발견한 과학자들은 실제 저런 모습을 관측하여 발표한 것이 전혀 아닌데,

평소 딱히 우주에 관심이 없는 일반인 입장에서는

아무래도 정말 저런 모습의 행성을 멀리서나마 본 것이라고 잘못 생각하기 쉽다는 점입니다.

그래서 간략하게나마 2017년 현재, 과학자들이 실제 외계 행성을 관측, 발견하는 방법을

같은 일반인 입장에서 간략히 정리하여 홍차클러 분들께 소개하고자 합니다.

생각보다 딱딱하지 않고 기발한 방법이라 흥미로워하실 분들이 많을 것 같습니다.

[그럼 과학자들은 실제로 무엇을 보고 저 항성계에 지구형 행성이 7개 있다고 발표한 것일까요?]

결론부터 말하자면, 그들은 행성의 모양이나 컬러를 본 것이 아니라

망원경으로부터 오랜 기간 전송받은 '항성 빛의 변화량' 데이터를 '숫자'와 '그래프'의 형태로 만들어 행성의 존재를 '계산'한 것입니다.

(이게 무슨 이야기인지 아래에 이미지와 함께 설명하겠습니다)

외계행성을 관측할 때 위와 같은 '이미지/사진'을 사용하지 않는 이유는

지구에서 태양계 밖에 있는 천체는 항성만 관측할 수 있고 행성은 아예 볼 수 없기 때문입니다.

(외계 행성은 가시광선, 적외선, X선? 그 어떤 것으로도 보이지 않습니다)

왜 그런 것인지, 가까운 우리 태양계 식구인 명왕성의 예를 들어보겠습니다.

(명왕성은 태양으로부터 빛의 속도로 5시간 반 정도 떨어져 있습니다)

(좌) 허블 망원경이 지구 궤도에서 촬영한 명왕성 vs. (우) 뉴호라이즌스호가 근접 촬영한 명왕성 (http://imgur.com/roceqd3)

오른쪽의 선명한 이미지는 지난 2015년 뉴호라이즌스호가 명왕성에 근접하여 촬영한 이미지입니다.

그리고 왼쪽의 뿌연 이미지는 사실 2015년 이전까지 인류가 촬영했던 가장 좋은 품질의 명왕성 사진입니다.

기존에 알고 있었던 명왕성의 크기, 지각 구성 등도 뉴호라이즌스호의 관측에 의해 모두 다 수정되었습니다.

우주는 사실 관측하기에 너무 너무 큽니다.

그럼 이렇게 태양계 안의 천체도 직접 가보지 않으면 제대로 관측하기가 어려운데,

수십-수백 광년 떨어진 다른 항성계의 '행성'은 대체 어떻게 발견하는 것일까요?

다행히 '지구 → 외계 행성 관측'의 경우는 '지구 → 명왕성 관측'과는 다른 획기적인 방법을 사용할 수 있습니다.

케플러 우주망원경 관측 상상도

(그림 우측 상단의 커다랗고 노란 항성과 달리 실제 태양을 제외한 모든 항성은 아무리 정밀한 망원경으로 봐도

작은 '점'으로만 보이며, 행성은 보이지 않습니다)

최근 무더기로 외계 행성을 발견하고 있는 케플러 우주망원경의 경우,

[행성이 자신이 딸려 있는 항성 앞을 공전하여 지나갈 때 항성의 빛을 아주 조금 가리게 되어 발생하는 '광량의 변화'를 관측합니다]

기존 해당 항성의 밝기는 알려져 있으므로,

어느 날 그 항성의 빛이 1/1000 만큼 어두워졌다가 6개월 후에 다시 밝아지는 것을 관측하게 된다면,

그 항성의 앞을 어떤 작은 행성이 공전하며 6개월 동안 통과해 지나간 셈이라고,

직접 보이진 않지만 그 곳에 행성이 있다고 논리적으로 설명할 수 있게 되는 것입니다.

그리고 그 1/1000 만큼 어두워진 이유가 행성 1개가 지나갔기 때문인지, 여러 행성이 동시에 지나갔기 때문인지,

또 그 항성 앞을 지나가는 행성은 항성과 얼마나 멀리 떨어져 있는지,

우선 몇 년에 걸쳐 동일한 패턴의 빛의 변화를 반복 관측하고, 또 해당 '항성'의 미세한 축 이동을 (점의 위치변화) 관측하여,

각각 어떤 방향에서 어느 정도의 질량을 가진 행성들이 그 항성을 끌어당겼는지를 복합적으로 계산합니다.

그리고 이렇게 행성의 크기와 항성과의 거리 등을 계산하면, 자연스럽게 '지구형 행성'인지 아닌지 판단할 수 있습니다.

항성과의 거리가 너무 가깝거나 멀면 생명이 살기 어렵고, 행성의 지름이 너무 크거나 작아도 또 지구형 행성에 부적합합니다.

과학자들은 이렇게 성격 버리기 딱 좋은 지난하고 마이크로소프트한 과정을 거쳐

비로소 이런 '지구형 행성 발견!'이라는 발표를 하는 것입니다.

다시 쨘. 아무것도 안 보이는데 전부 다른 컬러로 7개나 그리느라 고생했다.

설명을 보셔서 아시겠으나, 이 관측 방법의 실제 오차는 어마어마하게 클 수밖에 없으며,

각 행성 내 물의 존재는커녕 애초에 고체 행성인지 기체 행성인지도 확인할 방법은 없습니다.

숫자상으로 태양과 지구 지름 및 공전궤도에 비례하여 적정한 수준이면 그럴 것이다. 추정할 뿐입니다.

(망원경 렌즈에 먼지 하나 묻어도 광량이 1/1000 줄어들 수 있음, 하지만 다른 방법이 없음, 이 방법이 최선임)

'아주 가까운 곳에서 지구형 행성이 발견됐다!'는 뉴스만 보면 조만간 진짜 외계인을 만나게 될 것 같지만,

실제 그 곳은 절대 가깝지 않고, 정말 행성이 있는지 눈으로 볼 수도, 교신할 방법도 없고,

정말 그 행성이 거기 존재한다 하더라도 우주 대부분의 천체들처럼 꽁꽁 얼어있거나 불타고 있을 가능성이 훨씬 높습니다.

일반인 우주항공 덕후 입장에서는, 이러한 과학 발전에 놀라면서도,

알면 알수록 실제 우주는 더욱 광활하고 동시에 인간의 한계는 너무나 명확하여

본격적인 외계인과의 만남이나 우주 개발의 가능성은 계속 낮아지는 것만 같아 실망스럽기도 합니다.

홍차넷 티타임에 처음 쓰는 글을 '과학' 카테고리에 쓰게 될 줄은 몰랐습니다. 갑자기 지구 사이즈 행성 7개가 발견되다니...

이왕 이렇게 된 거, 다음번 기회가 되면 이런 '지구형 행성'이 의외로 '지구' 하나 밖에 없을 만한 가능성에 대해서도 써 보겠습니다.

(진지하게) 지구와 지구인들은 우주 전체에서 정말 특별한 존재일지도 모르겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다.

* 수박이두통에게보린님에 의해서 티타임 게시판으로부터 게시물 복사되었습니다 (2017-03-06 08:14)
* 관리사유 : 추천 게시판으로 복사합니다.

Date	17/02/24 22:20:36
Name	곰곰이
Subject	외계 행성을 (진지하게) 발견하는 방법
https://kongcha.net/recommended/375 트라피스트-1(왼쪽)과 7개 주변 행성들의 상상도 (네이처 제공, 연합뉴스) 지구에서 39광년 떨어진 [항성계]에서 [지구형 행성] 7개가 발견되었다는 뉴스가 나왔습니다. 항성: 태양처럼 스스로 빛을 내는 천체, 여기서는 트라피스트-1 항성계: 태양계처럼 항성을 중심으로 여러 행성이 공전하고 있는 계 지구형 행성: 기반이 고체로 이루어져 있고, 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도를 가진 천체 (지구랑 비슷한 크기인 경우가 많습니다) 위에 있는 사진처럼 그럴싸한 7개의 행성 이미지와 영상도 함께 공개되었는데요, 이런 이미지를 볼 때마다 아쉬운 건, 이 행성들을 발견한 과학자들은 실제 저런 모습을 관측하여 발표한 것이 전혀 아닌데, 평소 딱히 우주에 관심이 없는 일반인 입장에서는 아무래도 정말 저런 모습의 행성을 멀리서나마 본 것이라고 잘못 생각하기 쉽다는 점입니다. 그래서 간략하게나마 2017년 현재, 과학자들이 실제 외계 행성을 관측, 발견하는 방법을 같은 일반인 입장에서 간략히 정리하여 홍차클러 분들께 소개하고자 합니다. 생각보다 딱딱하지 않고 기발한 방법이라 흥미로워하실 분들이 많을 것 같습니다. [그럼 과학자들은 실제로 무엇을 보고 저 항성계에 지구형 행성이 7개 있다고 발표한 것일까요?]* 결론부터 말하자면, 그들은 행성의 모양이나 컬러를 본 것이 아니라 망원경으로부터 오랜 기간 전송받은 '항성 빛의 변화량' 데이터를 '숫자'와 '그래프'의 형태로 만들어 행성의 존재를 '계산'한 것입니다. (이게 무슨 이야기인지 아래에 이미지와 함께 설명하겠습니다) 외계행성을 관측할 때 위와 같은 '이미지/사진'을 사용하지 않는 이유는 지구에서 태양계 밖에 있는 천체는 항성만 관측할 수 있고 행성은 아예 볼 수 없기 때문입니다. (외계 행성은 가시광선, 적외선, X선? 그 어떤 것으로도 보이지 않습니다) 왜 그런 것인지, 가까운 우리 태양계 식구인 명왕성의 예를 들어보겠습니다. (명왕성은 태양으로부터 빛의 속도로 5시간 반 정도 떨어져 있습니다) (좌) 허블 망원경이 지구 궤도에서 촬영한 명왕성 vs. (우) 뉴호라이즌스호가 근접 촬영한 명왕성 (http://imgur.com/roceqd3) 오른쪽의 선명한 이미지는 지난 2015년 뉴호라이즌스호가 명왕성에 근접하여 촬영한 이미지입니다. 그리고 왼쪽의 뿌연 이미지는 사실 2015년 이전까지 인류가 촬영했던 가장 좋은 품질의 명왕성 사진입니다. 기존에 알고 있었던 명왕성의 크기, 지각 구성 등도 뉴호라이즌스호의 관측에 의해 모두 다 수정되었습니다. 우주는 사실 관측하기에 너무 너무 큽니다. 그럼 이렇게 태양계 안의 천체도 직접 가보지 않으면 제대로 관측하기가 어려운데, 수십-수백 광년 떨어진 다른 항성계의 '행성'은 대체 어떻게 발견하는 것일까요? 다행히 '지구 → 외계 행성 관측'의 경우는 '지구 → 명왕성 관측'과는 다른 획기적인 방법을 사용할 수 있습니다. 케플러 우주망원경 관측 상상도 (그림 우측 상단의 커다랗고 노란 항성과 달리 실제 태양을 제외한 모든 항성은 아무리 정밀한 망원경으로 봐도 작은 '점'으로만 보이며, 행성은 보이지 않습니다) 최근 무더기로 외계 행성을 발견하고 있는 케플러 우주망원경의 경우, [행성이 자신이 딸려 있는 항성 앞을 공전하여 지나갈 때 항성의 빛을 아주 조금 가리게 되어 발생하는 '광량의 변화'를 관측합니다] 기존 해당 항성의 밝기는 알려져 있으므로, 어느 날 그 항성의 빛이 1/1000 만큼 어두워졌다가 6개월 후에 다시 밝아지는 것을 관측하게 된다면, 그 항성의 앞을 어떤 작은 행성이 공전하며 6개월 동안 통과해 지나간 셈이라고, 직접 보이진 않지만 그 곳에 행성이 있다고 논리적으로 설명할 수 있게 되는 것입니다. 그리고 그 1/1000 만큼 어두워진 이유가 행성 1개가 지나갔기 때문인지, 여러 행성이 동시에 지나갔기 때문인지, 또 그 항성 앞을 지나가는 행성은 항성과 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 우선 몇 년에 걸쳐 동일한 패턴의 빛의 변화를 반복 관측하고, 또 해당 '항성'의 미세한 축 이동을 (점의 위치변화) 관측하여, 각각 어떤 방향에서 어느 정도의 질량을 가진 행성들이 그 항성을 끌어당겼는지를 복합적으로 계산합니다. 그리고 이렇게 행성의 크기와 항성과의 거리 등을 계산하면, 자연스럽게 '지구형 행성'인지 아닌지 판단할 수 있습니다. 항성과의 거리가 너무 가깝거나 멀면 생명이 살기 어렵고, 행성의 지름이 너무 크거나 작아도 또 지구형 행성에 부적합합니다. 과학자들은 이렇게 성격 버리기 딱 좋은 지난하고 마이크로소프트한 과정을 거쳐 비로소 이런 '지구형 행성 발견!'이라는 발표를 하는 것입니다. 다시 쨘. 아무것도 안 보이는데 전부 다른 컬러로 7개나 그리느라 고생했다. 설명을 보셔서 아시겠으나, 이 관측 방법의 실제 오차는 어마어마하게 클 수밖에 없으며, 각 행성 내 물의 존재는커녕 애초에 고체 행성인지 기체 행성인지도 확인할 방법은 없습니다. 숫자상으로 태양과 지구 지름 및 공전궤도에 비례하여 적정한 수준이면 그럴 것이다. 추정할 뿐입니다. (망원경 렌즈에 먼지 하나 묻어도 광량이 1/1000 줄어들 수 있음, 하지만 다른 방법이 없음, 이 방법이 최선임) '아주 가까운 곳에서 지구형 행성이 발견됐다!'는 뉴스만 보면 조만간 진짜 외계인을 만나게 될 것 같지만, 실제 그 곳은 절대 가깝지 않고, 정말 행성이 있는지 눈으로 볼 수도, 교신할 방법도 없고, 정말 그 행성이 거기 존재한다 하더라도 우주 대부분의 천체들처럼 꽁꽁 얼어있거나 불타고 있을 가능성이 훨씬 높습니다. 일반인 우주항공 덕후 입장에서는, 이러한 과학 발전에 놀라면서도, 알면 알수록 실제 우주는 더욱 광활하고 동시에 인간의 한계는 너무나 명확하여 본격적인 외계인과의 만남이나 우주 개발의 가능성은 계속 낮아지는 것만 같아 실망스럽기도 합니다. 홍차넷 티타임에 처음 쓰는 글을 '과학' 카테고리에 쓰게 될 줄은 몰랐습니다. 갑자기 지구 사이즈 행성 7개가 발견되다니... 이왕 이렇게 된 거, 다음번 기회가 되면 이런 '지구형 행성'이 의외로 '지구' 하나 밖에 없을 만한 가능성에 대해서도 써 보겠습니다. (진지하게) 지구와 지구인들은 우주 전체에서 정말 특별한 존재일지도 모르겠습니다. 읽어주셔서 감사합니다. * 수박이두통에게보린님에 의해서 티타임 게시판으로부터 게시물 복사되었습니다 (2017-03-06 08:14) * 관리사유 : 추천 게시판으로 복사합니다. 12 이 게시판에 등록된 곰곰이님의 최근 게시물 18-05-13 인공위성이 지구를 도는 방법과 추락하는 이유 [19] 17-10-11 How to 목성이 지구를 지키는 방법 [28] 17-03-24 명왕성이 행성 지위를 상실한 이유와 복귀 가능성 [16] 17-03-15 대통령 탄핵 선고문을 소장용(출력용)으로 편집했습니다. [18] 17-03-04 외계 행성 중 ‘지구형 행성’ AKA 골디락스 행성 구별법 [8] 17-02-24 외계 행성을 (진지하게) 발견하는 방법 [11]