■ 한국천문연구원(원장: 박석재)은 두 개의 별로 이루어진 쌍성 주위를 공전하는 외계행성계를 최초로 발견하여, 그 결과가 천문학분야에서 가장 저명한 미국 천문학회지(Astronomical Journal) 2월 판에 게재되었다고 밝힌다.

○ 외계행성 찾기 프로젝트를 수행하고 있는 한국천문연구원 광학적외선천문연구부의 이재우, 김승리 박사와 충북대학교 김천휘 교수 등 국내외 학자 7명으로 이루어진 연구팀은 두 별로 이루어진 쌍성 주위에서 생성된 후, 이 두 별의 격렬한 진화과정 속에서도 살아남은 2개의 외계행성을 세계 최초로 발견하였다.

그림 1. 두 별로 이루어진 쌍성 주위를 공전하는 외계행성계 모식도

○ 현대 천문학의 주요한 이슈 중의 하나인 외계행성은 다양한 탐색방법에 의해 약 330개가 발견되었다. 식쌍성의 극심시각 분석방법으로 쌍성 주위를 궤도 운동하는 천체의 광시간 효과를 계산하여 외계행성을 발견하는 것이 가능하다고 알려져 있었지만, 이 방법에 의해 식쌍성 주위를 공전하는 외계행성을 발견한 것은 이번이 최초이다.

○ 영화 “스타워즈”에는 주인공인 루크 스카이워커(Luke Skywalker)의 고향 행성인 타투인(Tatooine)에서 두 개의 태양이 동시에 지는 광경이 나온다. 이번 발견은 이런 광경이 허구가 아니고, 2개의 별로 이루어진 쌍성에서도 홑별(single star)에서와 같이 행성이 생성되고 살아남을 수 있음을 밝히는 중요한 관측적 증거를 제시하고 있어서 행성의 기원과 진화 연구에 획기적인 전환점이 될 것으로 기대하고 있다.

그림 2. 스타워즈의 한 장면. 타투인 행성에서 2개의 태양이 지고 있다.

○ 이번에 발견한 2개의 외계행성은 처녀자리 방향으로 약 590광년 떨어진 곳에 위치한 식쌍성 HW Vir에 속한 외계행성계로, 9.1년과 15.8년의 주기로 쌍성계의 질량중심 주위를 공전하고 있다. 또한 행성들의 질량은 각각 목성의 8.5배와 19.2배이고, 표면온도는 각각 -3도와 -43도로 추정된다.

○ 이재우 박사 등은 한국천문연구원에서 운영하는 소백산천문대의 61cm 망원경과 충북대학교 천문우주학과의 35cm 망원경을 이용하여 2000년부터 2008년까지 약 9년여 간의 영상관측을 분석함으로써 외계행성을 발견하는 개가를 올렸다. 이번 발견은 앞으로 한국천문연구원에서 지구형 외계행성을 찾기 위해 건설 예정인 2미터급 탐색전용 망원경 등을 활용하여 연구하게 될 수많은 후속과제를 도출하는 계기가 될 것으로 기대하고 있다.

○ 이번에 발견한 2개의 외계행성은 처녀자리 방향으로 약 590광년 떨어진 곳에 위치한 식쌍성 HW Vir에 속한 외계행성계로, 9.1년과 15.8년의 주기로 쌍성계의 질량중심 주위를 공전하고 있다. 또한 행성들의 질량은 각각 목성의 8.5배와 19.2배이고, 표면온도는 각각 -3도와 -43도로 추정된다.

○ 이재우 박사 등은 한국천문연구원에서 운영하는 소백산천문대의 61cm 망원경과 충북대학교 천문우주학과의 35cm 망원경을 이용하여 2000년부터 2008년까지 약 9년여 간의 영상관측을 분석함으로써 외계행성을 발견하는 개가를 올렸다. 이번 발견은 앞으로 한국천문연구원에서 지구형 외계행성을 찾기 위해 건설 예정인 2미터급 탐색전용 망원경 등을 활용하여 연구하게 될 수많은 후속과제를 도출하는 계기가 될 것으로 기대하고 있다.

■ 보충자료
★ 식쌍성(eclipsing binary)
서로의 중력에 의해 묶여져 회전하는 쌍성에서 두 별이 우리의 시선방향과 거의 일치하여 상호 질량중심을 공전하는 경우에 두 별이 서로 식(食)을 일으키며 밝기가 주기적으로 변하는 쌍성을 식쌍성이라고 한다(일식 및 월식 현상과 유사). 두 별이 쌍성계의 질량중심 주위로 각각 자신의 궤도를 공전하는 동안 두 번의 식이 일어나는데, 식이 일어날 때와 끝날 때까지의 밝기 변화가 짧은 시간동안에 급격하게 이루어지는 것이므로 이 순간들을 극심시각(#2, #4, #6)이라고 한다.

그림 3. 식쌍성에 의한 밝기 변화

★ HW Vir의 특성
HW Vir 변광성은 처녀자리에 위치하며, 나이는 약 120억년이고 공전주기가 약 2.8시간인 식쌍성이다. 주성(뜨거운 별)은 현재 약 29,000도의 온도와 태양의 0.5배정도 되는 질량을 가진 분광형이 B형인 준왜성 (subdwarf B)이고, 동반성(차가운 별)은 약 3,100도의 온도와 태양의 0.14배의 질량을 가졌으며, 두 별 모두 반경이 태양의 0.18배 정도로 작은 별들이다. HW Vir의 주성은 처음에 태양과 같은 질량을 가진 상태로 만들어졌지만, 별의 진화 단계에 따라 거대한 별(적색거성)과 준왜성으로 변하는 과정에서 그 질량의 50% 정도를 잃은 것으로 추정된다.
향후 약 14억년의 시간이 지나면 HW Vir의 주성은 진화 마지막 단계인 백색왜성이 될 것으로 예측되며, 이 시기에는 동반성에서 백색왜성인 주성으로의 물질 유입이 일어나 격렬한 폭발 현상을 보이는 격변 변광성이 될 것이다.

그림 5. 격변변광성의 개념도
Credit : ESA and Justyn R. Maund (University of Cambridge)

★ 광시간 효과와 외계행성계 탐색
지구가 태양주위를 1년에 한 번씩 타원궤도로 공전하면서, 지구와 태양 사이의 거리가 조금씩 달라지고, 태양빛이 지구에 도달하는 시간도 변하게 되는데(최대 507초, 최소 490초), 이런 현상을 광시간 효과라고 한다.
이와 마찬가지로, 식쌍성 주위에 또 다른 제3의 천체가 있어서 상호 인력에 의하여 궤도운동을 한다면, 쌍성계의 질량중심은 다시 삼중성계의 질량중심 주위로 궤도 운동을 하게 된다. 따라서 쌍성으로부터 나온 빛이 관측자에게 도달하는 시간이 주기적으로 변하게 되고 관측한 극심시각도 같은 형태로 변하는데, 이로부터 쌍성 주위에 있는 제3의 천체에 대한 질량 등과 같은 정보를 알아낼 수 있다.
약 5년 이상의 오랜 기간 동안 식쌍성의 극심 시각을 수초(0.0001일)의 정밀도로 지속적으로 측정하는 경우에 목성형 질량의 10배 정도 되는 외계행성을 검출할 수 있다.

그림 6. 광시간 효과. 쌍성계가 제3의 천체와의 상호인력에 의해 궤도운동을 하면서, A의 위치에 있을 때 본 쌍성계의 빛과 궤도운동에 의해 B의 위치로 이동 했을 때 쌍성계의 빛이 관측자에게 도달하는 시간에는 미세한 차이가 발생한다. 이러한 시간의 차이를 이용하여 보이지 않는 제3천체(행성 혹은 별)의 존재를 확인할 수 있다.