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우주 이야기 165 - 슈퍼 지구의 밀도를 측정하는 방법



 이제 더 이상 외계 행성 (exoplanet) 은 보기 드물거나 신기한 이야기가 아닙니다. 오래전 우리가 태양이 우주에 아주 흔하게 존재하는 별 가운데 하나일 뿐이고 우리 은하 역시 우주에 아주 흔하게 존재하는 은하 가운데 하나라는 사실을 알게 된 것 처럼 이제 우리는 우리 지구와 태양계의 다른 행성들이 우주에 아주 흔한 행성들 가운데 하나라는 사실을 알고 있습니다. 하지만 그럼에도 불구하고 지구에서 너무 멀리 떨어진 희미한 외계 행성에 대해서 우리가 알 수 있는 지식은 아직 상당히 제한되어 있습니다.


 특히 우리 태양계에는 없는 형태의 행성인 슈퍼 지구 (Super Earth) 에 대한 우리의 지식은 상당 부분 간접적인 추정에 의하고 있습니다. 슈퍼 지구란 용어는 지구보다 크고 해왕성 보다 작은데 아무튼 지구보다 훨씬 질량이 큰 암석형 행성을 의미하고 있지만 구체적인 구성 성분에 대해 알 수 있는 단서는 사실상 전무합니다. 


 최근 UC Santa Barbara 의 Las Cumbres Observatory Global Telescope (LCOGT) 와 캐나다의 Microvariability & Oscillations of Stars (MOST) 우주 망원경을 사용해 지구에서 약 70 광년 정도 떨어진 HD 97658b 라는 외계 행성을 연구한 천문학자들은 슈퍼 지구의 구성 성분을 알 수 있는 중요한 단서를 발견했습니다. 


 이 연구의 리더인 Diana Dragomir 와 그녀의 동료들에 의하면 이는 운좋게 관측된 HD 97658 과 HD 97658b 의 식현상 (transit) 덕분에 가능했습니다. 태양보다 약간 작은 주계열성인 HD 97658 은 2011 년에 켁 망원경 (Keck Observatory) 을 이용한 관측에서 Doppler wobble 이라는 방식으로 외계 행성을 하나 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 이 때 밝혀진 외계 행성 HD 97658b 는 슈퍼 지구인 것이 의심되었으나 추정되는 궤도와 질량 하한값 이외에는 확보한 정보가 제한적 이었습니다.


 Dragomir 를 비롯한 연구자들은 이 외계 행성이 모항성 앞으로 지나는 순간을 어렵게 포착해서 그 정확한 크기를 알아내는 데 성공했습니다. 방법은 간단합니다. 예를 들어 모항성의 1/10 지름인 행성이 그 앞으로 지난다고 생각해 봅시다. 그러면 이 행성이 지나는 동안 모항성의 밝기는 1/100 이 감소할 것입니다. 만약 모 항성의 지름을 알고 있다면 우리는 그 앞을 지나는 행성의 지름도 알 수 있습니다. 




(지구와 태양 (좌측) 그리고 HD 97658 및 HD 97658b 의 상대적 크기 비교  The relative size of the Earth and Sun next to those of HD 97658 (the star) and HD 97658b (the super-Earth exoplanet). (Credit: Jason Eastman and Diana Dragomir) ) 


 연구팀의 새로운 연구 결과에 의하면 아마도 HD 97658b 의 질량은 지구의 대략 8 배 수준 (7.862 ± 0.73) 이고 공전 궤도는 0.08 AU, 공전 주기는 9.5 일 정도인 것 같다고 합니다. 하지만 가장 중요한 부분은 지름이 지구의 대략 2배 (2.34 + 0.18/ - 0.15) 정도 된다는 점입니다. 이로부터 이 외계 행성의 밀도를 추정할 수 있습니다. 이 외계 행성의 밀도는 이에 의하면 대략 3.44 g/㎤ 수준인데 이는 지구보다 낮은 수치입니다. 


 만약 이 외계 행성이 지구처럼 주로 암석으로 된 행성이라면 이는 뭔가 맞지 않는 결과입니다. 이를 테면 지구의 밀도는 5.515 g/㎤ 이고 화성은 3.934 g/㎤ 수준인데 이보다 더 큰 암석형 행성이라면 아마도 밀도가 이보다 더 높거나 적어도 같을 가능성이 높기 때문이죠. 다만 자체 중력에 의한 압축을 생각할 때 이 행성이 최소한 대부분 가스로 되어 있을 가능성은 낮습니다. 그러기엔 밀도가 너무 높습니다. 


 대안적인 설명은 암석형 행성이지만 밀도를 낮추는 다른 물질 - 예를 들어 물, 즉 거대한 대양을 가진 외계 행성, 혹은 아주 거대하고 두꺼운 대기를 갖추고 있을 가능성도 있음 - 을 가지고 있다는 것입니다. 즉 슈퍼 지구라고 해서 진짜 지구 같은 행성인데 크기만 키운 행성이 아니라는 것입니다. 


 하지만 그렇다고 실망할 필요는 없습니다. 오히려 이 우주가 우리가 알고 있는 것 보다 더 복잡하다는 사실을 밝혀준 좋은 연구라고 할 수 있기 때문입니다. 우주에는 지구형 암석 행성이나 목성형 가스 행성 말고도 더 다양한 형태의 행성들이 존재할 수 있습니다. 거대한 바다를 가진 행성이나 암석 - 가스 혼합형 행성들이 어쩌면 우주에는 흔하게 존재할 지도 모릅니다. 다만 우리가 잘 몰랐을 뿐이죠. 


 HD 97658b 는 모항성에너 너무 가까워서 생명체 존재 가능성은 일단 낮아 보입니다. 만약 이 행성이 거대하고 뜨거운 바다를 가진 행성이라면 표면 중력은 대략 지구의 1.6 배 정도 될 것으로 보입니다. 어쩌면 우주에는 이런 형태의 행성이 흔한데 우리가 아직 모르고 있을 수도 있습니다. 모든 슈퍼 지구들이 이 행성처럼 모항성에 가까운 공전 궤도를 도는 것은 아닐 수도 있거든요.


 아무튼 관측 기술이 점점 발전하고 학문이 발전함에 따라 슈퍼 지구들에 대한 더 상세한 정보들이 얻어질 수 있을 것으로 기대해 봅니다.    


 참고


Journal Reference : 


1. Dragomir, Diana; et al. (May 2013). A warm, likely volatile-rich super-Earth: HD 97658b transits, but not quite when expected. arXiv:1305.7260. Bibcode:2013arXiv1305.7260D







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