지난 2022년 3월 21일, 미국항공우주국(NASA)은 인류가 발견한 외계행성의 수가 ‘이제 막’ 5000개를 돌파했다는 소식을 전했다. 1992년 첫 번째 외계행성 발견 이후 정확히 30년 만이다.

초기에는 발견이 더뎠지만, 관측 기술이 발달하면서 인류는 점점 빠른 속도로 외계행성을 찾아내고 있다. 2700여 개의 외계행성을 찾아낸 케플러 우주망원경이 퇴역한 이후 여러 관측기구와 장비가 외계행성 탐색에 동참하고 있는데, 여기에 지난해 크리스마스에 우주로 떠난 ‘제임스웹우주망원경’이 가세해 제2의 지구를 찾기 위한 여정에 속도가 붙을 것으로 보인다. 

우리 은하에 있는 외계행성만 최대 2000억 개

외계행성은 태양이 아닌 다른 항성을 공전하는 행성을 말한다. 그동안 발견된 외계행성을 살펴보면 해왕성만큼 거대한 얼음 행성, 크기가 목성과 토성처럼 가스로 이뤄진 행성, 지구와 비슷한 암석형 행성 등 크기와 성분이 다양하다.

지금까지 우리은하에서 확인된 5000개 이상의 외계행성들은 다양한 크기와 성분을 갖고 있다. 30%는 목성과 토성처럼 가스로 이루어진 거대 행성, 35%는 해왕성이나 천왕성과 같은 크기의 행성, 4%는 지구와 비슷한 작고 암석으로 이루어진 행성이다. 나머지 31%는 ‘슈퍼지구’로 알려진 외계행성으로, 태양계에 존재하지 않는 종류의 행성일 것으로 추정된다. (출처: NASA/JPL-Caltech)

최초의 외계행성은 1992년 푸에르토리코 아레시보 천문대의 천문학자 알렉산데르 볼시찬 박사가 발견했다. 볼시찬 박사는 지구에서 약 1500광년 떨어진 처녀자리에서 펄서(맥동성) 주변을 돌고 있는 두 개의 행성(PSR B1257+12 B, PSR B1257+12 C)을 관측한 결과를 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다. 인류 역사상 처음으로 외계행성을 찾아낸 것이다.

지상관측에 의존하던 외계행성 탐색은 2009년 케플러 우주망원경이 가동을 시작하면서 속도를 내기 시작했다. 케플러 우주망원경은 2018년 퇴역하기 전까지 총 2709개의 외계행성을 발견했다. 케플러 우주망원경이 발견했으나 검증을 마치지 않은 후보 행성도 2057개나 돼 실제로는 더 많아질 가능성이 크다. 

케플러 우주망원경이 퇴역한 2018년, 테스(TESS) 우주망원경이 발사되면서 외계행성 탐사의 바통을 이어받았다. 테스 우주망원경은 지난 4년 동안 외계행성 213개를 찾아내고, 3874개의 후보 행성도 발견하는 등 빠른 속도로 외계행성을 발굴하고 있다.  

2018년에 발사된 TESS 우주망원경. 현재 빠른 속도로 외계행성을 찾아내고 있다. (출처: NASA's Goddard Space Flight Center) 

캘리포니아공과대학(Caltech)이 운영하는 NASA 외계행성기록보관소에 따르면 5월 25일 기준 인류가 찾아낸 외계행성 수는 총 5030개다. 하지만 아직 발견되지 않은 외계행성 수가 훨씬 많다. 제시 크리스티안센 NASA 외계행성과학연구소 박사는 “알려진 5000개의 외계행성 중 4900개가 지구에서 수천 광년 이내에 있다”라며 “지구가 은하 중심에서 3만 광년 떨어져 있다는 사실을 고려하면 우리은하에만 1000억~2000억 개의 발견하지 못한 외계행성이 있다는 뜻”이라고 전했다.

외계행성 찾는 방법은 가지각색 

그렇다면 외계행성은 어떻게 찾을까? 우주망원경은 외계행성을 직접 관찰하지 않고 간접적인 방법으로 찾아낸다. 예컨대 빛을 내는 별 앞으로 외계행성이 지나갈 때 그림자로 인해 빛이 일부 사라지는 현상을 관측하고, 이를 통해 크기를 추정한다. NASA 에임즈 연구소의 윌리엄 보루키 박사가 제안한 방법으로, 케플러·테스 우주망원경이 이 방법을 활용한다.

외계행성이 별(항성) 앞을 지나가면 그림자로 인해 순간적으로 별빛이 어두워지고, 이는 외계행성의 공전주기에 따라 반복된다. 이 방법으로 외계행성을 찾을 수 있다. (출처: ESA)

이외에 빛의 파장을 분석해 찾아내는 방법도 있다. 별은 주변 행성의 중력에 영향을 받아 조금씩 움직인다. 별이 지구 쪽으로 움직이면 파장이 짧은 파란색을 더 띠고, 멀어지면 파장이 긴 붉은색이 나타나는데 이런 변화를 관측해 외계행성의 존재를 확인하는 식이다. 지난 2019년 노벨물리학상은 1995년 50광년 떨어진 곳에서 목성에 필적할만한 기체 외계행성(51 Pegasi B)을 발견한 천문학자 미셸 마요르와 디디에 켈로가 공동으로 수상했는데 이들이 파장을 분석하는 방법을 활용했다. 

외계행성과 별(항성)이 공전할 때 행성의 중력에 의해 별의 운동이 흔들리는 것(파장 변화)을 측정해 외계행성을 발견할 수 있다. 이 운동으로 별에서 나오는 빛이 지구를 향해 움직일 때 약간 더 푸르게 보이고, 멀어질 때는 약간 더 붉게 보인다(도플러 효과). 

외계행성 대부분은 이 두 가지 방법으로 발견됐다. 하지만 이 방법은 외계행성이 별과 멀리 떨어져 있으면 무용지물이다. 이런 경우에는 중력렌즈효과를 이용한다. 중력렌즈효과는 중력을 가진 천체가 있으면 시공간이 휘어져 뒤에 있는 천체가 마치 렌즈로 확대한 듯 일그러지고 밝기가 달리 보이는 현상인데 이를 관측하는 것이다. 이 방법은 지구와 유사한 규모의 천체를 찾는 데 특히 유용하다.

한 별이 다른 별 뒤에서 교차할 때 가까운 별이 렌즈처럼 작용해 빛을 굴절시켜 밝기가 달라진다. 이를 중력렌즈효과라 하며, 이 방법을 이용해 외계행성을 찾을 수 있다. 만약 외계행성이 가까운 별 주위에 존재한다면 행성의 중력이 별의 밝기를 변화시킬 것이기 때문이다. (출처: ESA)

시간이 지나면서 외계행성을 관측하는 방법은 점점 다양해지고 정밀해지고 있다. 향후 관측에 나설 새로운 우주망원경은 또 다른 방식으로 외계행성을 찾을 수도 있다. 지난해 12월 발사된 제임스웹 우주망원경 외에도 2027년 NASA가 개발한 낸시그레이스로먼우주망원경, 2029년 유럽우주국이 개발한 아리엘 우주망원경이 우주로 나갈 준비를 하고 있다. 이들이 외계행성 탐색을 통해 ‘제2의 지구’를 찾아낼 수 있을지 지켜보자.

글: 김우현 과학칼럼니스트/ 일러스트: 이명헌 작가

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