외계 행성

1. 개요

지구가 속한 태양계 너머 우주 공간에 존재하는 모든 행성을 총칭하는 말이다. 한자로는 外界行星이라 쓰며, 영어로는 Exoplanet 또는 Extrasolar planet이라고 부른다.

과거에는 존재 여부 자체가 SF의 영역이었으나, 관측 기술이 대폭 발전한 현재는 인류가 탐색해낸 수천 개 이상의 외계 행성이 카탈로그에 등재되어 있다. 단순한 호기심을 넘어 외계 생명체의 존재 가능성을 탐구하고, 지구와 태양계의 형성 과정을 역으로 추적하는 현대 천문학의 가장 뜨거운 떡밥 중 하나다.

우주가 워낙 광활하다 보니 태양계의常識(상식)을 박살 내는 기괴한 환경을 가진 행성들이 쏟아져 나오고 있다. 목성보다 수배는 크면서 주성 바로 앞을 몇 시간 만에 바짝 도는 행성이 있는가 하면, 밤하늘에 태양이 두 개나 뜨는 타투인 같은 행성도 실제로 존재한다.^{[1]SF 영화 《스타워즈》 시리즈에 등장하는 루크 스카이워커의 고향 행성 '타투인'에서 이름을 딴 케플러-16b 같은 쌍성 주위 행성(Circumbinary planet)을 의미한다.}

2. 발견의 역사

외계 행성의 존재는 오랫동안 이론상으로만 추측되어 왔다. 별 자체가 밝히는 빛에 비해 그 주변을 도는 행성은 너무나 어둡고 작아서 직접 관측하는 것이 기술적으로 불가능에 가까웠기 때문이다.

최초의 공인된 외계 행성 발견은 생각보다 엽기적인 환경에서 이루어졌다. 1992년 펄서(Pulsar) 주위를 도는 행성이 발견되었는데, 강력한 방사선을 내뿜는 사체 별 주변이라 생명체 탐사라는 본래 목적과는 거리가 멀었다.

인류가 최초로 보통의 일반적인 별(주계열성) 주위를 도는 외계 행성을 찾아낸 것은 1995년의 일이다. 미셸 마요르와 디디에 케로 연구진이 페가수스자리 51b를 발견해냈으며, 이 공로로 이들은 2019년 노벨물리학상을 수상하게 된다.^{[2]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/summary — 스위스 제네바 대학교 연구팀이었던 두 사람은 페가수스자리 51b를 발견함으로써 외계 행성 탐사의 시대를 열었고, 2019년 노벨 물리학상의 절반을 공동 수상했다.} 이 발견 이후 외계 행성 탐사는 폭발적인 전기를 맞이하게 되었다.

이후 케플러 우주 망원경과 TESS 등 외계 행성 탐사 전용 우주 망원경이 투입되면서 발견된 외계 행성의 수는 수천 단위로 급증했다.

3. 탐사 기법

별에 비해 너무나 어두운 행성을 찾아내기 위해 천문학자들은 온갖 기발한 편법과 기술을 동원하고 있다.

가장 대표적인 방법은 미세한 횡단 현상을 이용하는 식현상 관측법(Transit Method)이다. 행성이 주성(별) 앞을 지나갈 때 별의 밝기가 아주 미세하게 어두워지는 순간을 포착하는 방식이다. 케플러 우주 망원경이 이 방법으로 대량의 행성을 낚아챘다. 행성의 크기를 측정하는 데 매우 유용하지만, 행성의 공전 궤도가 하필 지구 시선 방향과 평행하게 맞물려야만 관측할 수 있다는 치명적인 로또성 한계가 있다.

다른 대표적 방법은 시선속도법(Radial Velocity Method)이다. 행성의 중력 때문에 별도 미세하게 춤을 추듯 흔들리게 되는데, 이때 발생하는 별빛의 도플러 효과를 측정하여 행성의 존재와 질량을 역산하는 기법이다. 주성에 바짝 붙어있는 무거운 행성을 찾기에 유리하다.

이외에도 중력이 빛을 꺾는 현상을 이용한 미세중력렌즈법, 그리고 기술의 극한을 활용해 행성을 직접 찍어내는 직경 관측법 등이 동원된다.

4. 주요 유형 및 분류

태양계의 행성 분류 기준(암석 행성, 가스 행성)을 훌륭하게 비웃듯, 외계 행성은 훨씬 다채롭고 기괴한 카테고리를 자랑한다.

• 뜨거운 목성 (Hot Jupiter): 목성만 한 거대 가스 행성이 주성에 미친 듯이 바짝 붙어서 공전하는 유형이다.^{[3]지구처럼 암석으로 이루어진 행성이 아닌 가스 행성이 모항성과 너무 가깝게 붙어 있어 섭씨 천 도를 넘는 뜨거운 대기를 형성하는 특징이 있다.} 공전 주기가 며칠, 심하면 몇 시간에 불과하며 대기 온도가 수천도에 달한다. 초기 외계 행성 탐사에서 가장 많이 발견되었는데, 그냥 커서 잘 보였을 뿐 우주에 흔한 타입은 아니다.
• 슈퍼지구 (Super-Earth): 지구보다 질량이 크지만 네프튠(해왕성)보다는 작은 암석 행성을 말한다. 태양계에는 존재하지 않는 체급이라 천문학자들의 호기심을 자극하는 유형이다.
• 미니 해왕성 (Mini-Neptune): 해왕성보다 질량은 작지만 thick한 수소/헬륨 대기를 두껍게 두르고 있는 가스성 행성이다.
• 지구형 행성 (Earth-like Planet): 크기와 질량, 환경이 지구와 유사하여 표면에 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 있는 행성들이다. 생명체 탐사의 핵심 타깃이다.
• 떠돌이 행성 (Rogue Planet): 모항성의 중력에 묶여있지 않고 우주 공간을 홀로 외롭게 떠도는 불쌍한 행성들이다. 행성계 형성 초기 단계에서 다른 행성과의 중력 싸움에서 밀려 튕겨 나간 것으로 추정된다.

5. 생명체 거주 가능 가능성 (골디락스 존)

외계 행성을 찾는 최종 목적이자 로망은 역시 '외계 생명체의 탐사'다. 이를 위해 천문학자들은 생명체 거주 가능 영역(Habitable Zone), 일명 골디락스 존(Goldilocks Zone)이라는 개념을 사용한다.^{[4]영국의 동화 《골디락스와 세 마리 곰》에서 주인공 골디락스가 '너무 뜨겁지도 않고 너무 차갑지도 않은 적당한 죽'을 선택한 것에서 유래한 천문학 용어다.}

주성으로부터 너무 가깝지도, 너무 멀지도 않아 행성 표면에 '액체 상태의 물'이 존재할 수 있는 적당한 온도 영역을 의미한다.

하지만 골디락스 존에 위치한다고 해서 무조건 제2의 지구인 것은 아니다. 행성 자체의 자기장이 없어서 대기가 다 날아갔다거나, 주성이 툭하면 치명적인 플레어를 쏘아대는 적색왜성이라면 생명체가 살기엔 그야말로 헬게이트가 열린다.

최근에는 제임스 웹 우주 망원경(JWST) 등을 이용해 외계 행성의 대기 성분을 분석(분광 관측)하여 산소, 수증기, 메탄, 그리고 생명 활동의 부산물로 추정되는 생체 지표(Biomarker)를 찾아내는 작업이 활발히 진행 중이다.

6. 여담