우리는 지난번에 지구와 똑같이 생긴 외계행성들을 알아보았다. 그런데, 아직 풀리지 않은 미스터리가 있다. 지금까지 엄청나게 많은 외계행성을 찾았는데, 이 천체들은 지구에서 매우 멀리 떨어져 있다. 그렇기에, 간접적인 방법을 이용하여 외계행성이 있을 것으로 추측하는 방식으로 찾아야 한다. 대체, 어떤 방법을 이용하면 되는 걸까? 이번에는 그 비밀을 알아보도록 하자. 대표적으로 몇 가지만 소개하도록 하겠다.
첫 번째로, 식 현상을 이용하는 방법이다. 식 현상은 행성이 모항성을 통과할 때 나타나는 밝기 차이를 보고 알아내는 것인데, 쉽게 이야기하자면, 지구가 태양 앞을 지나가는 모습으로 상상하면 된다. 얼마나 밝기가 변하는지에 따라 외계행성의 반지름도 계산해 낼 수 있는데, 모항성의 밝기가 변해야 하기에 크기가 작은 외계행성은 찾을 수 없고, 어느 정도 크기가 되어야 가능한 방법이다. 넓은 범위를 순식간에 관측하여 많은 외계행성을 찾아내는 데에 효율적이지만, 그와 동시에 오탐지율도 높다. 현재 발견된 외계행성의 대부분이 식 현상을 이용한 방법으로 발견되었다. 다음 그래프는 예시로 모항성의 밝기 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 가로축이 시간을, 세로축이 밝기를 나타내며 밝기가 줄어드는 부분이 행성이 모항성을 가린 순간이다.
두 번째로, 시선속도를 이용하는 방법이다. 시선속도란, 어떤 물체를 관측할 때 관측자가 보고 있는 시선의 방향으로 이동하는 속도를 말한다. 여기서 관측자는 지구이고, 지구에서 바라볼 때 관측 대상이 지구를 향하거나, 지구에서 멀어지는 순간 도플러 효과가 일어난다. 행성을 갖고 있는 모항성은 행성의 중력에 영향을 받아 조금씩 움직이는데, 이로 인하여, 지구를 향할 때는 청색 편이가, 지구에서 멀어지면 적색 편이가 나타난다. 중력에 영향을 받기에, 대체적으로 모항성의 질량이 작은 경우에 찾기 쉬운 방법이다. 이뿐만이 아니다. 모항성과 행성이 가까이 붙어 있으면, 그만큼 중력에 영향을 받기 쉽기에 이 경우에도 특화된 방법이라고 할 수 있다. 식 현상 다음으로 외계행성을 많이 찾은 방법이다. 다음 사진은 시선속도를 이용한 방법을 알기 쉽게 설명한 것으로, 모항성이 움직일 때 달라지는 시선속도를 확인할 수 있다. 여기서 파란색 선은 청색 편이를, 빨간색 선은 적색 편이를 나타낸다.
사진 출처: ESO
세 번째로, 미세 중력렌즈 효과를 이용하는 방법이다. 중력렌즈 효과는 모항성의 중력장이 렌즈처럼 작용하여 배경별을 확대하거나 왜곡할 때 발생한다. 여러 중력렌즈 효과 중에서도 미세 중력렌즈 효과는 겉으로 보았을 때 왜곡이 보이지는 않지만, 배경별에서 관측되는 빛의 양이 변화한다. 모항성과 배경별이 거의 정확하게 일직선상에 있어야지만 발생한다. 이때, 모항성에 행성이 있다면, 행성의 중력장이 이 효과에 영향을 미친다. 이를 통하여 외계행성이 있다는 것을 알아낼 수 있는 것이다. 오랜 시간 관측해야 하며, 같은 모항성에서 또 중력렌즈 현상이 발생할 경우가 낮기에 관측에 주의를 기울여야 한다. 다음 영상은 모항성과 행성에 의해 밝기가 변하는 배경별을 나타낸 것이다.
영상 출처: 미세 중력렌즈 효과를 이용하여 외계행성 탐지하기 – ESO/L. Calçada
마지막으로, 직접 촬영하는 방법이다. 우주를 촬영한 다음, 별들이 반짝이는 것을 보정으로 없애 외계행성을 찾는 것이다. 직접 하나하나 해야 하는 만큼 찾기 가장 어려운 방법이고, 실제로 이 방법으로 발견된 외계행성은 많지 않다.
이렇게, 외계행성 찾는 여러 가지 방법들을 알아보았다. 실제로 이 방법들을 이용하여 얼마나 많은 외계행성을 찾았을까? 현재까지 발견된 외계행성의 수는 총 5,905개이며, 외계행성을 찾아낸 방법의 비율은 다음과 같다.
자료 출처: NASA/Exoplanets
이번에 설명한 방법 외에도 다양한 방법이 있지만, 그 방법들로는 아직 많은 수의 외계행성을 찾아내지 못하였다. 그렇지만, 지금도 계속 외계행성을 찾기 위하여 과학자들이 노력하고 있으며, 먼 미래에는 훨씬 더 많은 외계행성이 발견되리라 생각한다.
*이 기사는 ‘2025년 5월’을 기준으로 작성되었습니다.