밤하늘을 올려다보면 무수히 많은 점이 빛나는 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 점의 정체는 별, 행성, 혜성 등 다양한 천체들입니다. 과거부터 현재에 이르기까지 망원경의 성능은 놀랍도록 성장해서 이러한 천체들을 더 자세히 관측하고 연구할 수 있었습니다. 세계에는 다양한 망원경이 존재합니다. 오늘 이야기할 망원경은 외계행성만을 찾기 위해서 만들어진 망원경입니다. 외계 행성이란 태양계에 속한 행성이 아니라 다른 항성계에 속한 행성입니다.
우리는 밤하늘의 별이 점으로 빛나는 것을 확인할 수 있습니다. 하지만 별들은 너무나도 멀리 위치하여 망원경으로 관측해도 조그마한 점으로 보이죠. 그렇다면 이러한 별이 가진 행성은 망원경으로 관측 가능할까요?
별은 스스로 타서 빛을 내는 천체입니다. 그리고 이러한 별을 중심으로 도는 천체가 행성이죠. 행성은 스스로 빛을 내지 못하고 별의 빛을 받아서 빛납니다. 그렇기 때문에 행성의 밝기는 너무나도 어두워서 망원경으로 그 모습을 확인하기는 어렵습니다. 게다가 행성은 별에 비해 크기도 작기 때문에 작고 어두운 천체는 망원경으로 관측하기는 굉장히 어려운 일이죠.
현재를 살고 있는 우리는 너무나도 당연하게 태양이 아닌 다른 항성계에도 행성이 있다고 알고 있습니다. 하지만 지금으로부터 약 30년 전 까지만 해도 외계행성의 존재 가능성은 그저 추측에 불가했습니다. 그 이유는 하나입니다. 그들은 외계행성을 관측해 본 적이 없었기 때문입니다.
그런데 1995년 천문학자 미셸 마요르와 그의 제자 디디에 켈로는 최초로 외계행성을 찾아냅니다. 그들은 망원경으로 페가수스자리 b별을 관측합니다. 하지만 그들은 망원경으로 별을 돌고 있는 행성을 직접적으로 관측한 것은 아닙니다. 그렇다면 어떻게 외계행성을 발견했을까요?
별의 질량이 굉장히 무겁기는 하지만 주변의 행성의 질량이 어느정도 충분하다면 그 항성계의 천체는 별을 중심으로 공전하는 것이 아닌 별과 행성의 무게 중심으로 공전하게 됩니다. 그리고 별 역시 무게 중심으로 공전하게 됩니다. 이를 지구에서 관측하게 되면 지구로부터 멀어지거나 가까워질 때 파장이 늘어나고 짧아지게 됩니다. 이 방식을 이용하여 미셸 마요르와 디디에 켈로는 외계 행성의 존재를 사람들에게 알리게 됩니다. 그들의 관측은 단지 우주에 행성이 있다는 것을 확인한 것이 아닙니다. 이 넓은 우주에 우리만 있는 것이 아닐 수도 있는, 다른 생명체 존재 가능성에 대해서도 생각할 수 있는 가능성을 넓혀 준 것입니다. 이러한 공로로 이들은 2019년에 노벨물리학상을 수상하게 됩니다.
외계 행성의 존재는 우리에게 새로운 기대를 하게 만듭니다. 저 먼 우주에 우리와 같은 생명체가 존재하지는 않을까? 이러한 생각으로 사람들은 더욱더 많은 행성을 찾고 싶어했습니다.
그래서 미국 NASA에선 외계행성만을 찾기 위한 망원경을 만들게 됩니다. 바로 케플러 우주 망원경입니다. 2009년 3월에 쏘아 올려진 케플러 우주 망원경은 천문학자 요하네스 케플러의 이름을 따서 만들어진 망원경으로 지상이 아닌 우주에서 활동하는 망원경입니다. 케플러 우주 망원경은 나사의 첫번째 외계 행성 탐사 미션으로 망원경의 목적은 오직 외계 행성을 찾기 위함입니다. 다양한 외계 행성 중 우리 지구와 비슷한 환경을 가진 외계 행성을 찾기 위해서 은하수를 바라보며 수많은 별을 관측했습니다
하지만 케플러 우주 망원경 역시 직접적으로 행성을 관측한 것은 아닙니다. 케플러 우주 망원경은 미셸 마요르와 디디에 켈로의 방법과 달리 별의 밝기에 주목했습니다. 행성이 별을 공전할 때, 행성이 별 앞을 지나가면 그 때 별의 밝기가 변하게 되는데 이때의 미세한 밝기 차이를 측정하여 외계행성의 여부를 확인할 수 있습니다. 케플러 우주 망원경에는 1.4m의 거울과 카메라가 들어가 있는데 여기에 사용된 카메라는 매우 민감하여 빛의 밝기 차이를 정밀하게 측정할 수 있었습니다. 그 결과 케플러 우주 망원경은 미션 중 약 50만개의 별을 관측하고 2천개가 넘는 외계 행성을 발견했습니다.
이중에서는 우리 지구와 비슷한 환경일 것으로 예상되는 천체가 있습니다. 케플러-22b인데요, 이 천체는 케플러-22라는 별을 공전하는 외계 행성입니다. 케플러-22 별은 태양과 비슷한 주계열성 G형 별입니다. 태양과 비슷한 별을 공전하는 케플러-22b는 지구보다 약 2배 크며 생명 거주 가능 지역인 골디락스존에 위치합니다. 이 천체까지의 거리는 600광년이기 때문에 천체에 인류가 도달하기는 어렵지만 외계 생명체의 존재를 기대해 볼 수 있습니다. 다양한 외계행성을 탐지한 케플러 우주 망원경은 2018년에 미션을 종료하여 현재 운용되지는 않습니다. 그렇다고 외계행성을 찾기 위한 연구는 끝난 것이 아닙니다. TESS라는 망원경이 우주로 올라가 케플러 우주 망원경의 미션을 이어서 진행하고 있습니다. 이러한 망원경 덕분에 우리는 이 넓은 우주에 혼자가 아닌 다른 생명체의 존재를 기대할 수 있게 되었습니다. 과연 앞으로 어떤 망원경이 등장하여 더 놀라운 사실을 밝혀줄지 기대가 됩니다.
출처
미셸 마요르와 디디에 켈로 사진 출처: https://www.eso.org/public/images/ann12010a/
케플러 우주 망원경 사진 출처: https://science.nasa.gov/mission/kepler/
도플러 효과 사진, 별의 광도 곡선 사진 출처: https://astro.kasi.re.kr/learning/pageView/5262
케플러 22b 사진 출처: NASA/Ames/JPL-Caltech – http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/multimedia/images/kepler-22b.html