별빛으로 행성을 찾아내는 다양한 과학 방법은 별빛 깜빡임으로 행성 찾기(통과법), 별의 흔들림으로 행성 알아내기(시선 속도법), 그리고 멀리 떨어진 별빛 휘어짐 이용하기(미시 중력 렌즈법)와 같이 눈에 보이지 않는 아주 먼 우주에 숨어 있는 외계 행성을 찾아내는 신기한 과학 기술에 대한 이야기이다.
하늘에 반짝이는 별은 스스로 빛을 내지만, 행성은 별 주위를 돌기만 할 뿐 스스로 빛을 내지 못한다. 그래서 행성을 직접 눈으로 보기는 매우 어렵다. 특히 우리 태양계 바깥에 있는 '외계 행성'들은 너무나 멀리 떨어져 있어서 보통의 방법으로는 볼 수 없다. 하지만 과학자들은 똑똑한 과학 기술과 아이디어를 이용해 이 별빛을 분석하여 숨어 있는 행성의 존재를 알아내고 있다. 이 방법들은 우주에 지구와 같은 행성이 얼마나 많은지, 그리고 어쩌면 생명체가 살고 있는 행성이 있을지도 모른다는 기대를 갖게 한다. 우주 탐사는 인류의 지적 호기심을 자극하고 우리가 우주에서 어떤 존재인지 질문하게 만드는 중요한 활동이다. 우리는 이러한 과학 방법들을 통해 우리가 살고 있는 지구 외에 다른 세상은 없을까 하는 오랜 질문에 대한 답을 조금씩 찾아가고 있는 것이다.
별빛 깜빡임으로 행성 찾기 (통과법)
외계 행성을 찾는 가장 흔하고 성공적인 방법 중 하나는 '통과법'이라고 불리는 별빛 깜빡임 관찰 방법이다. 이 방법은 행성이 자신의 별 앞을 지나갈 때 별빛의 밝기가 아주 잠깐 어두워지는 현상을 이용한다. 마치 작은 벌레가 전등 앞을 지나갈 때 전등 빛이 살짝 가려지는 것과 같다. 행성이 별 앞을 지나가는 순간, 행성이 별빛의 일부를 가리기 때문에 지구에서 관측했을 때 별의 밝기가 일시적으로 줄어드는 것이다. 이 밝기 변화를 아주 정확하게 측정하면 행성의 존재를 알 수 있다. 별빛의 밝기가 얼마나 많이 줄어드는지를 보면 행성의 크기를 짐작할 수 있다. 행성이 클수록 별빛을 더 많이 가리기 때문에 밝기가 크게 줄어드는 것이다. 또한, 별빛이 어두워졌다 밝아지는 시간이 얼마나 자주 반복되는지를 보면 행성이 별 주위를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간, 즉 공전 주기를 알 수 있다. 공전 주기를 알면 행성이 별로부터 얼마나 떨어져 있는지도 계산할 수 있다. 별에서 너무 멀리 떨어져 있으면 공전 주기가 매우 길어서 통과 현상을 관찰하기가 어렵지만, 별에 가까운 행성들은 비교적 짧은 주기로 통과하기 때문에 발견하기 쉽다. 이 통과법은 특히 '케플러 우주 망원경'과 같은 위성에서 매우 효과적으로 사용되었다. 케플러 망원경은 지구 대기의 방해 없이 우주에서 수십만 개의 별을 동시에 오랫동안 관찰하면서 별빛 밝기 변화를 꼼꼼하게 기록한 것이다. 마치 별들의 일기 예보를 하듯이 매일매일 별의 밝기를 측정했다. 그 결과 케플러 망원경은 수천 개의 외계 행성 후보들을 발견했으며, 그중 많은 수가 최종적으로 외계 행성으로 확인되었다. 이 방법은 행성이 반드시 우리 지구와 별 사이를 정확하게 지나가야만 관측이 가능하기 때문에, 모든 방향의 행성을 다 찾을 수는 없다는 한계가 있다. 만약 행성의 궤도가 우리 시선 방향과 비스듬하다면 통과 현상이 일어나지 않아 통과법으로는 발견할 수 없는 것이다. 하지만 아주 먼 곳에 있는 작은 행성까지도 찾아낼 수 있다는 장점이 있다. 케플러의 후계자인 테스망원경도 이 통과법을 이용해 우리 태양계 근처의 밝은 별들 주위를 도는 외계 행성들을 집중적으로 찾고 있는 것이다. 밝은 별 주위 행성은 나중에 다른 방법으로 더 자세히 연구하기가 쉽기 때문이다. 통과법으로 발견된 행성 중에는 별과의 거리가 적당하여 물이 액체 상태로 존재할 수 있는 영역, 즉 '생명체 거주 가능 영역' 안에 있는 행성들도 포함되어 있어서 많은 과학자의 관심을 받고 있다. 이런 행성들은 지구와 비슷한 환경을 가질 가능성이 있기 때문이다. 통과 시 별빛이 행성의 대기를 통과할 때, 대기를 이루는 물질에 따라 특정 색깔의 빛이 흡수되는 현상을 분석하여 행성 대기에 어떤 기체가 있는지 알아내는 연구도 활발히 이루어지고 있다. 이를 '통과 분광법'이라고 한다. 예를 들어, 대기에 산소나 메탄 같은 기체가 있다면 생명체의 존재 가능성을 시사할 수도 있다. 여러 개의 행성이 같은 별 주위를 돌며 순서대로 통과하는 경우, 행성들끼리의 중력 상호작용으로 인해 통과하는 시간이 미세하게 달라지는 현상을 분석하여 행성들의 질량을 측정하기도 한다. 이를 '통과 시간 변화법(TTV)'이라고 부른다. 이처럼 통과법은 외계 행성의 존재뿐만 아니라 크기, 궤도, 질량, 그리고 대기 정보까지 얻는 데 유용한 방법인 것이다. 통과법은 현재 가장 많은 외계 행성을 발견한 방법이며, 특히 지구 크기 정도의 작은 행성들을 찾는 데 유리하다. 앞으로 더 발전된 우주 망원경들이 통과법을 이용해 더 많은 지구형 행성을 발견하고 그 대기를 분석할 것으로 기대된다. 행성이 별 앞을 지나가는 시간은 행성의 크기와 별의 크기에 따라 달라지는데, 이 시간을 정밀하게 측정하는 것도 중요한 기술이다. 또한, 통과법으로 발견된 행성들은 대부분 별에 매우 가깝거나 질량이 큰 경우가 많았지만, 케플러와 테스 같은 정밀한 관측 덕분에 점차 지구와 비슷한 크기의 행성들도 많이 발견되고 있다. 통과법은 비교적 작은 망원경으로도 관측이 가능하여 아마추어 천문학자들도 외계 행성 발견에 기여하기도 한다.
별의 흔들림으로 행성 알아내기 (시선 속도법)
또 다른 중요한 방법은 '시선 속도법' 또는 '도플러 분광법'이라고 불리는 별의 움직임 관찰 방법이다. 행성은 별 주위를 돌지만, 사실은 별도 행성의 중력 때문에 아주 조금씩 움직인다. 마치 엄마와 아이가 손잡고 돌 때 엄마도 살짝 도는 것처럼 말이다. 행성의 중력이 별을 아주 미세하게 당기기 때문에, 별은 행성과 함께 작은 원을 그리며 흔들리게 되는 것이다. 이 흔들림 때문에 별이 우리에게서 멀어졌다 가까워졌다 하는 움직임이 생기는 것이다. 이 별의 움직임은 매우 작아서 눈으로는 볼 수 없지만, 별빛의 색깔 변화를 통해 감지할 수 있다. 별이 우리에게서 멀어지거나 가까워질 때, 별빛의 색깔이 아주 미세하게 변하는 현상이 나타난다. 이것을 '도플러 효과'라고 한다. 자동차 경주에서 빠르게 다가오는 차의 엔진 소리가 높게 들리고 멀어지는 차의 소리가 낮게 들리는 것과 같은 원리이다. 소리처럼 빛도 파동이기 때문에 이런 현상이 일어나는 것이다. 별빛도 마찬가지로, 별이 우리에게 가까워지면 빛의 파장이 짧아져 푸른색 쪽으로 치우치고(청색 편이), 멀어지면 파장이 길어져 붉은색 쪽으로 치우치는 것이다(적색 편이). 과학자들은 별빛을 여러 색깔로 나누어 분석하는 장비(분광기)를 이용해 이 아주 작은 색깔 변화를 측정한다. 매우 정밀한 분광기가 필요하며, 지구 대기의 움직임이나 망원경 자체의 떨림 등 방해 요소를 잘 제거하고 별 고유의 활동으로 인한 변화와 행성 때문에 생기는 변화를 구분하는 것이 중요하며, 이는 숙련된 기술과 분석 능력을 요구한다. 분광기는 별빛 스펙트럼에 나타나는 특정 선들의 위치 변화를 측정함으로써 별의 움직임 속도를 계산한다. 별빛 색깔이 변하는 정도를 정밀하게 측정하면 별이 우리에게서 얼마나 빠르게 멀어지고 가까워지는지, 즉 별의 '시선 속도' 변화를 알 수 있다. 이 시선 속도 변화의 크기와 주기를 분석하면 별 주위를 도는 행성의 존재를 알 수 있다. 별이 더 크게 흔들릴수록 행성의 질량이 크다는 것을 알 수 있고, 흔들림이 반복되는 주기를 통해 행성의 공전 주기를 알 수 있다. 시선 속도법은 최초로 외계 행성을 발견한 방법이기도 하다. 1995년에 과학자들은 51 페가시라는 별 주위를 도는 외계 행성(51 페가시 b)을 이 방법으로 발견했다. 이 행성은 목성보다 큰 질량을 가졌고 별에 매우 가깝게 붙어 도는 특징이 있어서 '뜨거운 목성'이라고 불리기도 했다. 이 발견은 태양계 밖에도 행성이 존재한다는 것을 처음으로 확실하게 증명해 주었기에 매우 중요한 발견이었다. 시선 속도법은 행성의 질량을 알아내는 데 매우 유용하지만, 행성이 별 주위를 도는 궤도가 우리 시선 방향에 대해 거의 수직일 경우에는 별의 흔들림을 제대로 감지하기 어렵다는 한계가 있다. 즉, 행성이 별 주위를 옆으로만 움직일 때는 별이 우리에게서 멀어지거나 가까워지는 움직임이 거의 없기 때문이다. 또한, 가벼운 행성보다는 질량이 큰 행성을 찾는 데 더 유리한 방법이다. 하지만 통과법으로는 행성의 크기(반지름)를, 시선 속도법으로는 행성의 질량을 알 수 있으므로, 두 방법으로 모두 발견된 행성은 밀도까지 계산할 수 있어 행성의 구성 성분을 짐작하는 데 큰 도움이 된다. 밀도를 통해 그 행성이 지구처럼 단단한 암석으로 이루어졌는지, 아니면 목성처럼 가스로 이루어졌는지 추측할 수 있다. 여러 행성이 같은 별 주위를 돌고 있다면, 각 행성의 중력 때문에 별의 시선 속도 변화 그래프가 복잡해지는데, 이를 분석하여 여러 행성의 존재와 궤도를 파악하기도 한다. 고성능 분광기가 장착된 지상 망원경들이 이 방법으로 많은 외계 행성을 발견하고 있으며, 특히 별에 가까운 큰 행성들을 찾는 데 효과적이다. 시선 속도법은 장기간에 걸친 꾸준한 관측이 필수적이며, 지구 대기의 영향을 최소화하기 위해 고도가 높은 곳에 위치한 천문대나 우주 망원경이 주로 사용된다. 이 방법을 통해 발견된 행성들은 행성계의 형성과 진화 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.
멀리 떨어진 별빛 휘어짐 이용하기 (미시 중력 렌즈법)
세 번째 방법은 '미시 중력 렌즈법'이라고 불리는 조금 더 복잡한 현상을 이용하는 방법이다. 이 방법은 아인슈타인의 상대성 이론에서 예측된 '중력 렌즈 효과'를 이용한다. 아주 무거운 물체(예: 별이나 행성)는 주변 공간을 휘게 만들어서 그 뒤를 지나가는 빛의 경로를 휘게 만든다. 마치 볼록 렌즈가 빛을 모으는 것처럼 말이다. 물체가 무거울수록 공간을 더 많이 휘게 만들고 빛을 더 많이 휘게 만드는 것이다. 이 현상은 빛이 직선으로만 나아간다는 우리의 보통 상식과는 다른 매우 신기한 자연 현상이다. 미시 중력 렌즈 효과는 멀리 떨어진 어떤 별(배경별)과 우리 지구 사이에 또 다른 별(앞쪽별)이 거의 일직선으로 놓일 때 일어난다. 이때 앞쪽별의 중력 때문에 배경별에서 오는 빛이 휘어지면서 지구에서는 배경별이 평소보다 훨씬 더 밝게 보이는 현상이 나타난다. 마치 렌즈를 통해 멀리 있는 것을 더 크게 보는 것과 같다. 이 밝아짐 현상은 앞쪽별이 배경별 앞을 지나가는 짧은 시간 동안만 관찰된다. 그런데 만약 이 앞쪽별에 행성이 함께 있다면, 행성의 작은 중력도 배경별의 빛을 살짝 더 휘게 만들어서 배경별의 밝기 변화에 추가적인 변화를 일으킨다. 이 추가적인 밝기 변화는 짧은 시간 동안 나타나며, 행성의 질량과 궤도에 따라 독특한 모양을 보인다. 예를 들어, 행성의 질량이 클수록 추가적인 밝기 변화의 크기가 커지고, 별과의 거리에 따라 변화의 형태가 달라진다. 이 짧은 시간 동안의 작은 밝기 변화를 정밀하게 분석하는 것이 미시 중력 렌즈법의 핵심 기술이다. 과학자들은 멀리 있는 수많은 별들의 밝기를 꾸준히 관찰하다가, 어떤 별의 밝기가 평소와 다르게 갑자기 밝아졌다가 다시 어두워지는 '미시 중력 렌즈 현상'을 감지한다. 그리고 이 밝기 변화 곡선을 아주 정밀하게 분석하여 그 중간에 행성이 있었는지를 찾아낸다. 행성이 있다면 밝기 변화 곡선에 짧고 독특한 모양의 추가적인 변화가 나타나기 때문이다. 이 방법은 다른 방법으로 찾기 어려운 행성들을 발견하는 데 유용하다. 예를 들어, 별로부터 아주 멀리 떨어져 있거나, 심지어는 별 주위를 돌지 않고 우주 공간을 떠돌아다니는 '떠돌이 행성'을 찾는 데도 사용될 수 있다. 통과법이나 시선 속도법은 주로 별에 가까운 행성을 찾는 데 유리한 반면, 미시 중력 렌즈법은 별에서 멀리 떨어진 곳에 있는 행성이나 별에 묶여 있지 않은 행성도 발견할 수 있는 장점이 있다. 미시 중력 렌즈 현상은 특정 별들이 우연히 일직선으로 놓여야만 일어나기 때문에 자주 관찰하기는 어렵다. 현상이 발생하더라도 짧게는 며칠에서 길게는 몇 주 안에 끝나기 때문에, 전 세계 여러 망원경이 협력하여 밤하늘을 꾸준히 감시하며 이런 우연한 현상을 포착하려 노력하고 있다. 한국의 케이엠넷 프로젝트도 이 미시 중력 렌즈 방법을 이용해 외계 행성을 활발히 탐사하고 있으며, 특히 질량이 작은 지구형 행성이나 별로부터 멀리 떨어진 행성을 찾는 데 강점을 보이고 있다. 이 방법으로 발견된 행성은 다시 관찰하기 어렵다는 한계가 있지만, 통과법이나 시선 속도법으로는 찾기 어려운 종류의 행성, 예를 들어 별에서 멀리 떨어진 곳에 있는 얼음 행성이나 가벼운 암석 행성을 발견하는 데 중요한 역할을 한다. 또한, 미시 중력 렌즈 현상은 은하계 중심 방향처럼 별들이 매우 빽빽하게 모여 있는 영역을 관찰할 때 특히 효과적이다. 이 방법을 통해 지금까지 발견된 떠돌이 행성들은 별 주위를 도는 행성들만큼이나 우주에 흔하게 존재할 수 있다는 가능성을 제시하며 새로운 연구 분야를 열었다. 미시 중력 렌즈법은 멀리 떨어진 외계 행성계의 통계적 분포를 파악하는 데 중요한 정보를 제공한다.
우리는 별빛의 깜빡임(통과법), 별의 미세한 흔들림(시선 속도법), 그리고 멀리 있는 별빛의 휘어짐(미시 중력 렌즈법)과 같은 다양한 과학 방법을 통해 우리 태양계 바깥에 존재하는 수많은 외계 행성들을 찾아내고 있다. 각각의 방법은 장단점이 있어서, 과학자들은 여러 방법을 함께 사용하거나 새로운 기술을 개발하여 더 다양한 외계 행성을 찾으려 노력하고 있다. 이렇게 외계 행성을 찾는 것은 단순히 행성의 수를 늘리는 것을 넘어, 우주에 생명체가 살 수 있는 환경을 가진 행성이 얼마나 많은지, 그리고 우리가 우주에서 얼마나 특별한 존재인지를 이해하는 데 중요한 단서가 된다. 과학자들은 외계 행성 탐사를 통해 지구와 비슷한 환경을 가진 행성을 찾아내고, 그 행성에 생명체가 살고 있을 가능성을 연구하고 있다. 이러한 탐사는 우리가 우주에서 외로운 존재인지 아닌지에 대한 근본적인 질문에 답을 찾아가는 과정이다. 우주 과학 전문가들은 이러한 외계 행성 탐사 방법들이 앞으로 더욱 발전하여 언젠가는 생명체의 흔적을 발견하는 데 기여할 수 있을 것이라고 말한다. 특히 제임스 웹 우주 망원경과 같은 차세대 망원경은 외계 행성의 대기를 분석하여 산소나 메탄처럼 생명체와 관련된 기체가 있는지 정밀하게 조사할 수 있다고 한다. 이는 생명체 존재 가능성을 직접적으로 탐색하는 중요한 단계이다. 새로운 관측 기술과 인공지능을 활용한 데이터 분석 기법이 개발되면, 더 작고 어두운 행성들까지 찾아낼 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 외계 행성 탐사는 인류가 우주에 대해 가진 가장 근본적인 질문, '우주에 우리만 있는가?'에 대한 답을 찾아가는 중요한 발걸음이라고 전문가들은 강조한다. 이 탐험은 우리에게 우주의 광대함과 신비로움을 느끼게 해주며, 우리가 살고 있는 지구 생명체의 소중함을 다시 한번 깨닫게 한다. 외계 행성 탐사는 계속될 것이며, 미래에 우리는 우주에 대한 훨씬 더 많은 비밀을 알게 될 것이다. 외계 행성 탐사는 과학 기술의 발전뿐만 아니라 인류의 상상력을 자극하고 다음 세대 과학자들에게 영감을 주는 중요한 역할을 하기도 한다. 이는 인류 문명이 우주로 뻗어 나가는 데 필요한 지식과 기술을 축적하는 과정이기도 하다.