■  생명체 존재 가능성이 있는 외계행성을 찾는 것은 현대 천문학계의 가장 중요한 화두 중 하나다. 한국천문연구원(원장:한인우)은 외계행성탐색시스템(이하 KMTNet)을 이용해 최근 2개의 외계행성을 연속으로 발견했다. 이는 지난해 10월부터 가동한 KMTNet의 첫 번째 성과이며, 앞으로 탐색연구가 본격화될 전망이다.

□  외계행성은 태양계 밖 우주에 있는 다른 별(항성) 주위를 공전하는 행성을 말한다. 연구팀이 이번에 발견한 첫 번째 외계행성(OGLE-2015-BLG-0954Lb)은 목성 질량의 4배 정도 되는 행성으로 지구로부터 2,000광년 떨어져 있으며, 중력렌즈 현상을 통해 발견한 외계행성 중에서는 태양계로부터 매우 가까운 곳에 위치하고 있다. 연구팀은 목성 질량의 0.7배 되는 외계행성(OGLE-2015-BLG-0051Lb)도 연달아 발견했다. 이 외계행성은 지구로부터 약 27,000광년 떨어진 거리에 있다.
  첫 번째 외계행성 발견 결과는 한국천문학회지(Journal of The Korean Astronomical Society)에 게재됐으며, 두 번째 외계행성 발견 결과는 천문학 분야 최상위급 학술지인 미국 천체물리학저널(The Astrophysical Journal)에 게재 승인됐다.

그림 1. 이번 외계행성 발견 시 나타난 중력렌즈 현상. 연구관측자가 영상의 중심에 있는 별(녹색 원)을 관측하고 있을 때, 별과 관측자 사이에 보이지 않는 외계행성이 지나가게 되면, 관측자에게 도달하지 않던 빛이 외계행성의 중력에 의해 휘어져서 관측하고 있던 별의 밝기가 원래의 밝기보다 밝아지는 현상이 나타난다. 이를 분석해 외계행성의 정보를 알 수 있다.

□  첫 번째 행성은 표면온도 약 3,000도의 모성으로부터 1.2AU(태양과 지구거리의 1.2배) 떨어져 있으며, 두 번째 행성은 표면온도 약 2,300도의 모성에서 0.73AU 정도 떨어져 있다. 발견된 두 행성과 모성 사이의 거리는 태양-지구간의 거리와 비슷하지만, 모성의 온도가 태양의 온도인 5,500도보다 낮아서 행성에 도달하는 빛이 약하다. 모성에서 방출되는 복사에너지에 의한 행성의 온도는 각각 영하 190도와 영하 220도 정도로 매우 춥기 때문에, 2개 행성 모두 생명체가 존재할 가능성은 희박한 것으로 보고 있다.

 그림 2. KMTNet으로 발견한 외계행성계의 우리은하 내 위치

그림 3. 태양계 행성과 두 외계행성의 크기 및 모성과의 거리 비교

□  지난해 10월부터 가동해 이번에 첫 성과를 낸 KMTNet은 지구형 외계행성을 포함한 다수 외계행성을 찾기 위해 한국천문연구원이 구축했다. KMTNet은 직경 1.6m 크기의 거울을 장착한 광시야 망원경과 3.4억 화소의 초대형 모자이크 CCD 카메라로 구성된 관측시스템이다. 칠레, 남아프리카공화국, 호주 등 남반구 3개 국가 관측소에 설치돼 우리은하 중심부를 24시간 연속 관측하는‘별이 지지 않는 관측소’로 운영하고 있다.

□  이번 외계행성 발견은 관측자로부터 서로 다른 거리에 있는 두 개의 별이 시선방향에 정확히 일직선으로 놓일 때 발생하는 미시중력렌즈(microlensing) 현상을 이용했다. 만일 렌즈작용을 하는 별에 행성이 있으면 추가적인 밝기 변화가 일어나며, 이를 분석해서 행성의 존재 및  그와 관련한 여러 물리량을 산출할 수 있다. 이렇게 중력렌즈 현상을 통한 탐색방법은 다른 탐색 방법으로는 발견이 어려운 떠돌이 행성(별에 중력으로 묶여있지 않은 나홀로 행성)의 발견이 가능하다.

□  2004년에 중력렌즈 현상을 이용한 탐색으로 처음 외계행성이 발견된 이후, 현재까지 총 49개의 행성이 이 방법으로 발견됐다. 광학천문본부  변광천체그룹 김승리 책임연구원은“KMTNet의 특성을 이용한 시뮬레이션 연구결과에 의하면 매년 100여 개의 외계행성을 발견할 수 있을 것으로 예측한다”며 “이번에 발견한 2개의 외계행성을 시작으로 매년 다수의 행성을 발견할 것으로 예상하며, 이를 기초로 외계행성 탐색 분야의 국제적 선도 역할을 수행할 수 있을 것이다”고 밝혔다. 

[참고 1]  용어 설명

○ 외계행성탐색시스템 (KMTNet; Korea Microlensing Telescope Network)
한국천문연구원이 운영하는 외계행성탐색시스템은 지구와 비슷한 환경을 가지고 있어서 생명체가 존재할 가능성이 있는 외계행성을 찾기 위해, 지난 2014년 5월부터 2015년 5월까지 남반구 칠레 CTIO(Cerro Tololo Inter-American Observatory), 남아공 SAAO(South African Astronomical Observatory), 호주 SSO(Siding Spring Observatory) 천문대에 설치한 관측시스템이다. 중력렌즈 현상을 이용한 외계행성 탐색에 최적화된 시스템으로, 수개월간의 시험관측을 거쳐 2015년 10월 2일 본격 가동을 시작했다. 남반구 3개 천문대는 경도 상으로 약 8시간 정도 차이가 나므로, 칠레 관측소에서 관측이 끝나갈 즈음에는 호주에서 관측이 시작되고, 호주 관측이 끝날 때면 남아공 관측소에서 이어서 관측이 진행되므로 24시간 연속 관측이 가능한 세계 최초의 외계행성탐색시스템이다.

※ 외계행성 탐색시스템 홈페이지 : http://kmtnet.kasi.re.kr/kmtnet/

○ 중력렌즈 현상
어떤 별을 관측하고 있을 때, 별과 관측자 사이에 보이지 않는 천체(별 혹은 행성)가 지나가게 되면, 관측자에게 도달하지 않던 빛이 보이지 않는 천체의 중력에 의해 휘어져서 관측하고 있던 별의 밝기가 원래의 밝기보다 밝아지는 현상을 말한다. 중간에 놓인 별이 행성을 가지고 있는 외계 행성계인 경우, 그림 5의 그래프와 같이 추가적인 밝기 변화가 일어나며, 이를 분석해서 행성의 물리량을 산출할 수 있다.
중력렌즈 현상을 이용한 탐색방법은 다른 방법에 비해 훨씬 적은 경비가 드는 지상관측을 통해서도 지구와 같이 작은 질량을 가진 행성들을 검출할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

○ 외계행성 OGLE-2015-BLG-0954Lb과 OGLE-2015-BLG-0051Lb
현재(2016.7.27.)까지 발견된 외계행성의 총 수는 3,476개이고, 이 중 중력렌즈 방법으로 발견된 외계행성 수는 총 49개이다. 이 중 2개(4%)가 KMTNet이 발견한 외계행성이다. 이번에 발견한 첫 번째 외계행성(OGLE-2015-BLG-0954Lb)은 목성 질량의 약 4배(3.9±1.4 MJupiter)되는 행성으로 태양 질량의 0.3배(0.33±0.12M⊙)인 차가운 별로부터 약 1.2AU의 거리에 있는 것으로 분석됐다. 이 외계행성은 지구로부터 약 2,000광년 떨어져 있으며, 이제까지 중력렌즈 현상을 이용해 발견한 외계행성 중에서는 태양계로부터 두 번째로 가까운 곳에 위치하고 있다.
두 번째 외계행성(OGLE-2015-BLG-0051Lb)은 목성 질량의 0.7배이며 지구로부터 약 27,000 광년의 거리에 있다. 첫 번째 행성은 표면온도 약 3,000도의 모성으로부터 약 1.2AU(약 1.8×108km) 떨어져 있으며, 두 번째 행성은 표면온도 약 2,300도의 모성에서 약 0.73AU(1.1×108km)의 거리에 있다. 발견된 두 행성과 모성 사이의 거리는 태양-지구간의 거리와 비슷하지만, 모성의 온도가 태양의 온도보다 낮아서 행성에 도달되는 빛이 약하다. 모성에서 방출되는 복사에너지에 의한 행성의 온도는 각각 영하 190도와 영하 220도 정도로 매우 춥기 때문에, 2개 행성 모두 생명체가 존재하기는 어려울 것으로 추정된다.

○ AU와 밀리각초
AU(Astronomical Unit)는 태양에서 지구까지 거리를 기준으로 재는 천문단위다. 1AU는 약 1.5×108km이다. 태양에서 목성까지 거리는 약 5.2AU이다.
밀리각초(milliarcsecond)는 각을 재는 초의 1000분의 1 단위다. 천문학에서는 멀리 떨어진 천체 사이 거리나 크기를 실제로 재기 어려우므로 일반적으로 각으로 나타낸다.

[참고 2] 논문 및 연구팀

○ 논문

 - A SUPER-JUPITER MICROLENS PLANET CHARACTERIZED BY HIGH-CADENCE KMTNET MICROLENSING SURVEY OBSERVATIONS
    한국천문학회지 6월호 (신인구 외)
 - OGLE-2015-BLG-0051/KMT-2015-BLG-0048Lb: A GIANT PLANET ORBITING A LOW-MASS BULGE STAR DISCOVERED BY HIGH-CADENCE MICROLENSING SURVEYS
    미국천체물리학회지 7월 게재 승인(한정호 외)

 - Optimal Survey Strategies and Predicted Planet Yields for the Korean Microlensing Telescope Network
    미국천체물리학회지 2014년 10월 출판(Henderson 외)

○ 미시중력렌즈연구그룹
  - 류윤현, 정선주, 앤드류 굴드(Andrew Gould), 박병곤, 김승리, 이충욱, 차상목, 이용   석, 김동진(한국천문연구원)
  - 신인구, 정연길(하바드 스미스니언 천체물리학센터)
  - 한정호(충북대학교)

 [문의] 
 ☎ 042-865-3255, 광학천문본부 변광천체그룹 이충욱 책임연구원