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우주 이야기 214 - 외계 행성의 질량, 밀도, 크기, 그리고 대기 조성을 아는 방법


 수십년 전까지만 해도 외계 행성의 존재를 입증하는 것 자체가 획기적인 일이던 시절도 있었지만 이미 인류가 찾아낸 외계 행성의 숫자는 이미 1000 개를 넘어선 상태입니다. 과학자들은 외계 행성의 존재 여부를 넘어서 외계 행성의 공전 주기, 크기, 질량, 밀도, 구성, 대기 등 더 자세한 데이터를 알기 원하고 있습니다. 


 가장 좋은 방법은 강력한 망원경으로 상세한 관측을 하는 것입니다. 하지만 현재까지 나온 망원경으로는 직접 이미지를 구하는 것은 매우 힘든 일이며 아주 운이 좋은 소수의 케이스에서만 직접 이미지를 촬영하는데 성공했을 뿐입니다. 그나마 촬영된 사진은 아주 작은 점에 불과한 경우가 대부분입니다. 


 따라서 외계 행성의 상세한 데이터를 얻기 위해서는 여러가지 간접적인 방법이 필요합니다. 나사에서 공개한 영상 가운데 이를 설명하는 내용이 있습니다. (사실 이 동영상은 이전 포스트에서도 참조로 올린 적이 있습니다.   http://jjy0501.blogspot.kr/2013/12/water-on-the-Alien-Planet.html ) 여기에 괜찮은 내용이 있는 것 같아서 다시 설명을 해봅니다. 




(동영상 )   


 사실 아주 여러가지 방법 중 일부를 설명한 것이지만 이해는 쉽습니다. 


 1. 지구나 혹은 우주에 있는 망원경이 관측했을 때 모항성 앞을 행성이 지나치는 경우 (즉 식현상이 발생하는 경우) 밝기가 미세하게 감소하게 됩니다. 이 때 감소한 밝기의 양을 계산하면 행성의 크기 (지름) 을 알 수 있습니다. 더 나아가 밝기가 감소한 주기를 측정하면 공전 주기를 측정할 수도 있습니다. 



(식현상을 이용해서 밝기의 감소로 외계 행성의 크기와 공전 주기를 추정할 수 있음.  Image of a planet transiting a star, for illustration of transit method of discovery of extrasolar planets. Sizes of the star, the planet and its orbit are roughly like HD 209458b. Author : Nikola Smolenski ) 


2. 모항성은 근처를 공전하는 외계 행성 때문에 조금씩 흔들리게 됩니다. 외계 행성의 질량을 직접 측정할 수는 없지만 항성의 경우 관측을 통해 질량을 알아낼 수 있기 때문에 이를 통해서 외계 행성의 질량을 추정할 수 있습니다. 큰 질량을 가진 외계 행성일 수록 더 크게 모항성을 흔들 것입니다. 



(위의 경우는 과장된 것이긴 하지만 아무튼 주변을 공전하는 행성 때문에 모항성도 흔들리게 됨. 물론 지구도 달 때문에 조금씩 흔들리면서 태양 주변을 공전 중.  public domain image )


 3. 만약 운좋게 1/2 의 결과를 모두 알 수 있는 외계 행성이 있다면 우리는 외계 행성의 크기, 질량을 알기 때문에 역으로 밀도도 구할 수 있습니다. 결국 질량을 부피로 나누면 밀도가 되기 때문이죠. 그리고 밀도를 알게 되면 이 외계 행성의 주된 구성 성분이 무엇인지도 알 수 있습니다. 


 예를 들어 가스인데 거의 수소로만 된 경우라면 매우 밀도가 낮을 것이고 철과 같은 금속 성분이 많다면 밀도가 높을 것입니다. 물론 같은 가스 행성이라도 중력에 의한 자체 압축을 고려하면 클수록 밀도는 높습니다. 따라서 질량, 밀도를 모두 감안해서 판단을 내리게 됩니다.  




(외계 행성의 밀도에 따른 다양한 구성 성분의 가능성  Credit :   Marc Kuchner/NASA GSFC) 


 4. 대기 조성 

 대기 조성을 알아내는 방법은 위의 경우보다 훨씬 까다롭습니다. 아주 운좋게 스펙트럼을 분석하는데 성공할 수 있어야 대기의 조성을 확인할 수 있습니다. 이 부분은 이전 포스트에서 설명했기 때문에 앞에서 링크를 건 이전 포스트를 확인해 주시기 바랍니다. 아무튼 만약 어렵게 스펙트럼을 구할 수 있으면 그 행성의 대기에 대한 것도 알아낼 수 있습니다.


 위에서는 매우 간단하게 기술했지만 사실 실제로 이것들을 알아내는 과정은 매우 어려운 일이며 현재는 아주 소수의 외계 행성에만 적용이 가능합니다. 하지만 결국 미래에는 더 강력한 망원경이 개발되어 이와 같은 연구가 훨씬 수월해질 것으로 보입니다. 결국 과학자들은 언젠가 지구 같은 별이 우주에 얼마나 흔한지에 대해서 더 자신있게 이야기 할 수 있게 될 것입니다. 


 이 모든 연구의 정점은 아마도 단순히 지구 같은 외계 행성이 아니라 외계 생명체의 강력한 증거를 직접 관측하는 일일 것입니다. 과연 그게 언제 가능할지는 모르지만 말이죠.  


 참고 




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