“현재까지 350여 개의 외계행성이 발견됐습니다. 앞으로 외계행성 목록이 급격히 늘어날 겁니다.”
충북대 물리학과 한정호 교수는 미시중력렌즈 방법으로 외계행성을 찾는 ‘외계행성사냥꾼’이다. 한 교수는 지난해 초 ‘사이언스’에 크기와 배치가 태양계와 비슷한 외계행성계를 보고한 논문의 공동저자다. 11개국 69명의 연구자가 이름을 올린 이 논문에는 한 교수 외에도 한국천문연구원 광학부 박병곤 부장과 이충욱 박사도 참여했다.
외계행성이란 지구나 목성 같은 태양계 행성처럼 다른 별에 속해 있는 행성이다. 우주에는 우리가 관측할 수 있는 우주공간에만 100억 개의 은하가 있고 은하 하나는 평균 100억 개의 별로 이뤄져 있으므로 태양처럼 행성을 거느린 별도 많을 것이다. 한 교수는 “행성은 스스로 빛을 내지 않기 때문에 그 존재를 입증하지 못하다가 1995년에야 최초로 외계행성을 발견했다”고 말했다.
지금까지 확인된 외계행성의 90% 이상은 시선속도 방법으로 찾았다. 시선속도 방법은 별과 행성이 무게중심 둘레를 서로 공전할 때 나타나는 별의 미세한 움직임을 분석해 행성을 찾아낸다. 이 방법으로 밝혀진 행성은 별에 가까운 목성형 행성이 대부분인데, 행성이 크고 가까울수록 별의 요동도 크기 때문이다.
최근에는 행성횡단관측법이 주목받고 있다. 일식이 되면 태양빛이 가려지듯이 행성이 별 앞으로 지나가면 미세하나마 별빛이 줄어든다. 그 차이를 해석해 행성의 존재와 특성을 알아내는 방법이다. 지난 2월 유럽우주국(ESA)은 이 방법으로 지구지름의 1.7배, 지구질량의 4.8배인 지금까지 가장 작은 지구형 외계행성을 발견했다고 발표했다.
그러나 별까지 거리가 태양에서 수성까지 거리의 23분의 1에 불과해 열기로 표면온도가 1000℃에 이르고 공전주기도 20시간밖에 안 돼 생명체가 살 수 있는 환경은 아니다. 한 교수는 “공전반경이 클수록 별을 가린 행성을 찾을 확률이 낮아진다”며 “또 행성이 너무 작으면 별을 가리더라도 별빛의 변화를 감지할 수 없기 때문에 이 방법으로 찾을 수 있는 가장 작은 행성은 지구 크기 정도”라고 말했다.
미시중력렌즈는 화성만 한 외계행성도 찾을 수 있어
한 교수팀이 채택한 미시중력렌즈 방법은 지구 질량의 9분의 1 정도인 화성만 한 외계행성도 찾을 수 있을 뿐 아니라 더 먼 곳에 있는 외계행성도 찾을 수 있다. 미시중력렌즈 현상은 멀리 있는 별에서 오는 빛이 중간에 있는 별의 중력 때문에 휘어져 허상이 생기거나 별의 밝기가 변하는 현상이다. 이를 옆에서 보면 볼록렌즈를 통과하는 빛이 휘어지는 모습과 비슷하기 때문에 ‘렌즈’라는 이름이 붙었다. 이처럼 빛이 휘는 건 1915년 발표한 아인슈타인의 상대성이론이 예측한 현상이다. 1937년 스위스의 천문학자 프리츠 츠비키는 은하나 은하단이 중력렌즈의 역할을 할 수 있다고 추측했는데, 1979년 마침내 퀘이사가 중력렌즈의 영향을 받아 2개로 보이는 현상이 관측됐다.“청주대 응용과학부 장경애 교수가 1980년대 은하를 이루는 개개의 별도 중력렌즈 역할을 할 수 있다는 사실을 다룬 논문을 ‘네이처’에 발표했습니다. 그 뒤 별이 중력렌즈로 작용하는 경우를 ‘미시(micro)중력렌즈’라고 불렀죠.”
한 교수는 미시중력렌즈 분야에서는 우리나라 과학자들이 처음부터 핵심적인 역할을 했음을 강조했다. 그는 미국 오하이오주립대에서 박사과정을 할 때 미시중력렌즈 현상을 이용해 외계행성을 찾는 방법에 주목했다. 즉 미시중력렌즈 역할을 하는 별이 행성을 거느릴 경우 행성의 위치에 따라 이 부근을 지나가는 별빛의 경로를 휘게 하는 정도에 변화가 생기기 때문에 이를 해석하면 행성의 크기와 질량을 추측할 수 있다(미시중력렌즈에 대한 자세한 설명은 과학동아 2007년 4월호 ‘한국의 지구사냥꾼 나선다’ 참조).
2006년 1월 26일자 ‘네이처’에는 미시중력렌즈를 이용해 지구질량의 5.5배인 외계행성을 발견한 논문이 실렸다. 이 행성은 지구에서 약 2만 1500광년 떨어진, 태양 질량의 22%인 적색왜성을 2.6AU(천문단위, 1AU는 태양과 지구 사이의 평균거리) 떨어져 돌고 있다. 한 교수팀도 같은 해 지구질량의 13배인, 당시 3번째로 작은 외계행성을 발견해 ‘미국천체물리학회지’에 발표했다. 한 교수는 “미시중력렌즈법이 개선되면서 발견되는 외계행성 수가 해마다 급증하고 있다”며 “우리도 올해 외계행성 4개를 발견해 현재 데이터를 분석하고 있다”고 말했다.
현재 한 교수팀과 천문연 박병곤 박사팀은 ‘마이크로펀(micro-FUN)’이란 국제 공동연구팀의 일원으로 외계행성 연구를 진행하고 있다. 그런데 최근 한 교수팀과 천문연은 우리나라가 주도적으로 연구할 수 있는 새 프로젝트를 시작했다. 370억 원을 들여 남반구의 세 곳, 즉 칠레와 뉴질랜드, 남아프리카공화국에 미시중력렌즈 현상을 관측할 수 있는 광시야 망원경을 설치하기로 한 것. 여기에는 무려 4억 개의 화소로 이뤄진 검출기(CCD)가 붙어 있어 별이 빽빽한 우리은하 중심에서 오는 수십억 개의 별빛을 분석해 외계행성을 찾는다.
한 교수는 “이 망원경은 2014년쯤 완성될 예정”이라며 “이 프로젝트가 성공리에 진행되면 지구형 행성은 수십 개, 목성형 행성은 수천 개를 찾을 수 있을 것”이라고 말했다. 따라서 지구처럼 생명체가 살 수 있는 환경에 놓인 외계행성을 찾을 확률도 높다. 그는 “우주에서 지구의 생명체만 유일한 생명체인가 라는 물음은 천문학에서 오래된 주제였다”며 “이제 우리는 여기에 대해 답을 할 준비가 돼 있다”고 말했다.
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