2부 행성과 달
7장 태양계 (Solar system)
7-9. 다른 별에도 행성이 있을까? 어떻게 알 수 있을까?
태양 이외의 별에도 행성이 있는 것일까. 전고에 사용된 물리학 법칙은 우주 어디에나 적용할 수 있다. 따라서 다른 별에도 행성이 있을 가능성이 있을 것이다. 만약 다른 별에도 별 근처에는 지구형 행성이, 밖에는 목성형 행성이 돌고 있다면 앞서 제시한 태양계 형성 가설이 옳다는 증거가 될 것이다. 또 태양계에 지구가 있듯이 다른 별의 행성 중에도 생명이 살 수 있는 곳이 있을 것이다.
1995년 이후 다른 별을 돌고 있는 몇 개의 행성이 발견됐다. 그러나 이들은 모두 목성형 행성으로 때로는 목성보다 질량이 크다. 그 궤도도 일정치 않아 지구형 행성처럼 원에 가까운 타원이 아닌 긴 타원이었다. 과연 별을 공전하고 있는 행성일까 의심스러웠다. 이 논란을 이해하기 위해서는 천문학자들이 외계 행성을 찾기 위해 사용한 방법을 검토할 필요가 있다.
다른 별의 행성을 찾는 것은 매우 어렵다. 무엇보다 행성은 별에 비해 작고 어둡다. 가시광선을 기준으로 보면 태양은 목성보다 10(9배) 밝고 지구보다 10 10배 밝다. 외계 행성이 목성보다 10배나 커 지구에서 가장 좋은 망원경을 사용해도 별 밝기에 가려 보이지 않게 된다. 따라서 간접적인 방법을 쓰지 않을 수 없다.가장 효과적인 방법은 흔들리는 별을 발견하는 것이다.
그림 7-9-1: 다른 별을 돌고 있는 외계 행성을 찾는다
만약 별에 행성이 붙어 있을 때 행성이 별을 돌고 있다는 표현은 정확하지 않다. 실은 별과 행성이 함께 질량의 중심점을 돌고 있는 것이다(왼쪽 그림). 마치 시소의 양 끝에 무게가 다른 두 사람이 앉았을 때 무게 균형이 잡힌 받침을 무거운 쪽 근처에 놓는 것과 같은 이치다. 행성은 수억 km 떨어진 곳을 돌지만 별은 훨씬 작은 궤도를 돌고 있다. 태양계의 경우 목성의 긴 쪽 회전반경은 7.78×10.8km이지만 태양의 회전반경은 724,000km에 불과하다. 태양의 반지름은 696,000km이기 때문에 태양은 근처에 있는 중심점을 천천히 돌고 있는 것이다. 만약 다른 은하에 살고 있는 과학자가 태양의 흔들림을 발견하면 태양에는 행성이 있다는 것을 알게 될 것이고, 보이지는 않지만 그 행성의 질량이나 회전 크기까지 알게 될 것이다.
별의 흔들림을 측정하는 것은 매우 어려운 일이다. 지구에서 본 별의 회전각도(가운데 그림)는 0.001 arcsec(1 arcsec=1/3600도) 또는 보다 정밀해야 한다.다른 방법은 시선속도(radial velocity, 물체가 시선방향으로 운동할 때의 속도)를 이용하는 방법이다. 이것은 그림 5-9에서 설명한 도플러 효과를 이용한다. 만약 행성 때문에 별이 흔들리면 별은 지구에 가까워져 멀어질 것이다(위 그림 오른쪽). 이때 별빛 흡수선은 위치에 따라 파장이 주기적으로 달라질 것이다. 별이 지구에 가까워지면 파란색 변이가 일어나 파장이 짧아질 것이다. 이때 별이 움직이는 속도가 느리고 그 변화의 크기는 너무 작아 고도의 정밀도가 요구된다. 태양은 축을 중심으로 경우 45 km/h의 속도로 천천히 움직이고 있다.1995년 지구에서 50광년 떨어진 페가수스자리의 51번 별(51 Pegasi)에서 행성을 발견하는 개가를 올렸다.
이렇게 발견된 행성들은 공전궤도가 태양계 행성들과는 큰 차이를 보였다. 태양계 행성은 비교적 원에 가까운 궤도에 올라 있는 데 비해 이들은 매우 큰 타원형을 하고 있다. 이러한 점으로부터, 전술한 태양계의 형성 모델이 다른 일이 있다. 혹시 외계 미행성이 별의 중력에 끌려와 별을 만들어 남아 있는 잔해와 결합한 것은 아닐까?
또 하나의 가능성은, 이것들이 행성이 아닌, 별일지도 모른다. 갈색 왜성(brown dwarf)은 별과 비슷하지만 질량이 낮아 내부의 핵반응이 일어나지 않는 것을 말한다. 아래 그림 오른쪽의 흰 점은 왼쪽 별(Gliese 229지구에서 18광년 떨어진 토끼자리의 별)을 44AU 밖에서 돌고 있는 갈색 왜성이다. 허벌망원경으로 관측된 이는 목성 질량의 3050배 크기로 추정되는데(태양 질량의 0.030.055배), 지름은 목성과 거의 같다. 표면 온도는 1000도 정도일 것이다. 갈색 왜성은 태양처럼 가스로 이루어져 행성의 형성과정과는 다른 과정에서 만들어졌을 것이다.
그림 7-9-2. 갈색 왜성(A Brown Dwarf)
한편 태양계 행성과 비슷한 움직임을 보이는 행성도 발견됐다. 이런 점에서 외계행성에 관한 연구는 아직 초보적인 단계라고 할 수 있다. 외계 행성이 몇 개 발견되긴 했지만 아직 이들이 어떤 형태인지 성분이 무엇으로 만들어졌는지 알 수 없다.
- 이 문장은 W.J. Kaufmann III & R. Freedman이 쓴 “Universe” (5판, Freeman Company, 1999년) 의 내용을 요약한 것입니다. 그 외 , 인터넷 검색으로 일부 내용이나 사진 자료등을 추가했습니다.
- **이 책이 출간된 후 20년간 많은 과학적 발전이 있었기 때문에 일부 내용은 바뀌었을 수 있습니다.