외계 행성에 대한 예술가의 관점. L. Benassi/ESO, CC BY

우리의 별인 태양은 행성 행렬을 동반하고 있다. 우리는 그중 하나인 지구에 있으며, 그 표면에서 하늘의 다른 태양계 행성들을 관찰할 수 있다. 밤하늘은 또한 수천 개의 별들로 가득 차 있으며, 그 별들의 고정된 위치가 별자리를 형성한다. 하늘을 관측하면서 우리는 지구와 다른 행성들이 훨씬 더 크고 뜨거운 태양 주위를 도는 차가운 구체라는 것을 알았다. 또한 태양도 다른 별들과 비슷한 별이라는 것을 이해했다. 태양이 훨씬 더 멀리 떨어져 있어서 훨씬 덜 밝게 보이는 다른 별들에 비해 우리에게 매우 밝게 보이는 것은 단지 태양이 더 가까이 있기 때문이라는 것을 알았다.

프랑스 남부에 위치한 오트 프로방스 천문대는 1995년 미셸 마요르와 디디에 쿠엘로가 최초의 외계 행성을 발견한 곳이다. OHP-OSU 피테아스 연구소/AMU/CNRS 포토테크

태양계에서 벗어나자

태양도 다른 별과 마찬가지로 별이므로 다른 별들도 궤도에 행성을 가지고 있을까? 그리고 만약 존재한다면, 이 외계 행성은 태양계 행성과 비슷한 특성을 가지고 있을까, 아니면 매우 다를까? 외계 행성은 매우 많을까, 아니면 소수의 별만 가지고 있는 희귀한 행성일까? 마지막으로, 지구와 비슷한 외계 행성이 있다면 그 표면에 생명체가 나타나고 발달한 경험이 있을까?

보시다시피 이러한 질문은 과학적, 철학적, 사회적으로 광범위하다. 이러한 질문을 던지고 답을 구하는 것은 많은 감정의 원천이기도 하다.

우리 우주의 유일성 또는 복수의 세계라는 문제는 고대부터 역사를 통해 꾸준히 제기되어 왔다. 16세기 코페르니쿠스의 태양 중심설 혁명 이후 태양계의 행성들은 지구와 유사한 별들로 이해되었고, 따라서 새로운 세계를 구성할 수 있는 것으로 여겨졌다. 심지어 지오다노 브루노는 다른 별 주위에 외계 행성이 존재하며, 그 행성에도 사람이 살고 있다고 주장하기도 했다.

17세기, 특히 요하네스 케플러와 아이작 뉴턴을 중심으로 외계 행성 문제에 대한 과학적 접근에 대한 지식이 무르익으면서 외계 행성이 실제로 존재한다면, 우리는 이제 외계 행성이 모성 별 주변에서 어떤 운동을 해야 하는지 어느 정도 알게 되었다. 사실 그 이후로 외계 행성의 존재를 의심하는 천문학자는 거의 없었으며, 태양에는 행성계가 동반되어 있기 때문에 전부는 아니더라도 다른 많은 별들도 있다고 가정하는 것이 합리적이다.

외계 행성은 결국 발견될 것이다.

다른 별 주변의 행성 관측

그러나 이러한 관측은 힘들고 어려운 일이었으며, 수세기 동안 망원경의 손이 닿지 않는 곳에 있었다. 잠재적 외계 행성은 모항성보다 작고 질량이 훨씬 적기 때문에 모항성에 미치는 영향이 희미하다. 그리고 항성 옆에 있는 외계 행성의 직접 이미지를 얻는 것은 수천 킬로미터 떨어진 등대 주변을 날아다니는 바닷새를 성공적으로 촬영하는 것과 같다.

천문 기기의 발전으로 20세기 후반에 이르러서야 이를 탐지할 수 있는 프로그램이 시작되었지만, 작업의 어려움으로 인해 오랫동안 성공하지 못했다.

최초의 외계 행성은 1990년대 중반 프랑스 오트 프로방스 천문대의 스위스 천문학자 미셸 마요르(Michel Mayor)와 디디에 쿠엘로(Didier Queloz)에 의해 발견되었다.

이들은 소위 "방사형 속도법"(행성이 별 주위를 공전할 때 별에 미치는 중력 영향으로 별의 속도가 변한다. 별이 우리 쪽으로 이동하면 스펙트럼이 파란색으로 변하고, 멀어지면 빨간색으로 변하는 스펙트럼 분석.)이라고 불리는 방법을 사용하여 별의 움직임을 매우 정밀하게 측정하고 그 미세한 주기적 변화를 행성의 존재로 인한 것으로 해석하여 이 결과를 얻었다. 분석 결과를 여러 차례 검증한 후, 그들은 1995년 10월 6일 피렌체에서 열린 컨퍼런스에서 행성 51 페가시 b의 발견을 발표했다. 이들의 결과는 다음 달 네이처(Nature) 저널에 게재되었다.

2019년 노벨 물리학상 수상자 디디에 쿠엘로, 미셸 마요르, 제임스 E. 피블스

이 발표는 과학계 전체에 충격과 흥분을 불러일으켰다. 외계 행성의 존재에 대한 논의가 거의 없었던 상황에서 이들의 발견으로 외계 행성의 존재가 현실화되었고, 마침내 수 세기 동안의 질문에 대한 답이 나왔으며, 다른 많은 탐사의 길을 열었다. 외계 행성에 대한 관측 프로그램과 이론적 연구는 더욱 늘어날 것이다. 외계행성학은 1995년부터 크게 발전하여 전 세계 수백 명의 천문학자가 외계행성 연구에 전념하고 있다.

이 발견으로 2019년 미셸 마요르와 디디에 쿠엘로에게 수여된 노벨 물리학상은 천체 물리학, 더 나아가 인류 지식에 가져온 혁명을 강조한다.

행성계의 편재성과 엄청난 다양성

그 이후로 수천 개의 외계 행성이 발견되고, 특성화되고, 연구되었다.

그 특성을 이론적 모델의 예측과 비교함으로써 우리는 행성계가 어떻게 형성되고 진화하는지 더 잘 이해할 수 있다. 이러한 탐지는 또한 우리 은하계에서 행성이 어디에나 존재하며(대부분의 별이 행성을 품고 있는 것처럼 보인다), 매우 다양한 행성이 존재한다는 것을 보여준다. 실제로 일부는 태양계와 비슷하지만, 다른 많은 행성들은 매우 다르며 때로는 놀라운 특성을 가지고 있다.

한 가지 예는 뜨거운 목성, 즉 우리 목성만큼 크고 거대하지만 항성에 너무 가까워 며칠 만에 주위를 돌고 있는 행성이다. 51 페가시 b가 이 범주에 속한다. 항성에 의해 가열되는 이 행성들의 대기는 1000°C가 넘는 온도를 가지고 있다.

지구보다 약 2~3배 큰 슈퍼지구 또는 미니 해왕성도 있다. 내부 구조에 따라 대형 텔루르 행성이거나 작은 가스 행성일 수 있다. 태양 주변에는 전혀 존재하지 않지만 다른 별 주변에는 매우 풍부하다.

또한 특정 외계 행성의 두께나 온도를 측정하고, 화학 종을 식별하고, 움직임을 감지하는 등 외계 행성의 대기를 연구할 수도 있다.

또한 일부 외계 행성은 항성 주위를 도는 궤도에서 혼자 있는 것처럼 보이지만, 다른 많은 외계 행성은 같은 항성 주위를 도는 여러 행성이 있는 시스템에서 발견되며 때로는 매우 가까운 궤도에서 발견되기도 한다. 일부 궤도는 태양계 행성과는 달리 특히 기이하거나 기울어져 있다. 이러한 다양한 구성은 아마도 다양한 유형의 역동적인 진화의 특징일 것이다.

다른 지구를 향해?

마침내 크기, 질량, 항성과의 거리 등 지구와 비슷한 특성을 가진 외계 행성이 발견되기 시작했다. 현재 사용되는 기술을 개선하여 더 많은 외계 행성을 탐지하고 더 정밀하게 연구하기 위한 새로운 장비가 개발되고 있다. 대기 연구를 포함하여 이러한 물체에서 생명체 존재 가능성을 탐지하는 방법이 고안되기 시작했으며 향후 수십 년 내에 구현될 것이다.

지금은 전례 없는 특권적이고 특히 흥미로운 시기이다. 수세기를 기다려온 끝에 우리는 지구와 태양계를 다른 행성계와 비교하고, 왜 지구와 태양계가 독특하거나 매우 공통적인지 알 수 있는 매우 구체적인 증거를 확보하기 시작했다.

이러한 질문은 지구와 우리 자신이 우주에서 차지하는 위치와 직접적으로 관련이 있다. 이 질문에 대한 답은 과학적 관점에서 큰 의미를 지니지만, 그 이상의 의미를 담고 있다.

[출처] Así se descubrió el primer planeta alrededor de una estrella distinta del Sol (theconversation.com)

[번역] 하주영

덧붙이는 말

기욤 에브라르(Guillaume Hébrard)는 파리 천체물리학 연구소(CNRS) 연구 책임자로 파리 천체물리학연구소와 오트프로방스 천문대에서 연구를 수행했다. 성간 매체와 풍부한 원소를 연구한 후 현재는 태양 외 행성의 탐색과 특성 분석에 집중하고 있다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.