우주청, 토성보다 먼 궤도로 공전하는 '슈퍼지구' 발견

▲ 외계행성탐색시스템(KMTNet, Korea Microlensing Telescope Network) 우주항공청

'외계행성탐색시스템(아래 KMTNet : Korea Microlensing Telescope Network)' 관측자료를 활용해 토성보다 먼 궤도로 공전하는 장주기 '슈퍼지구' 외계행성이 발견됐다.

참고로, '슈퍼지구'란 지구처럼 암석으로 이루어져 있지만, 질량이 지구 질량의 약 1배~10배 사이인 행성이며, '외계 행성'은 태양이 아닌 다른 별(모성) 주위를 공전하는 행성이고, '장주기 외계행성'은 공전주기가 1년 이상인 외계행성을 말한다.

우주항공청(청장 윤영빈, 아래 우주청)은 25일 한국천문연구원(원장 박장현, 아래 천문연)이 참여한 국제 공동연구진이 KMTNet으로 '슈퍼지구'를 발견한 사실을 알리면서 "이번에 발견된 외계행성 'OGLE-2016-BLG-0007Lb'은 지구 질량의 1.3배 정도 되는 슈퍼지구 행성"이라고 밝혔다.

이어 우주청은 "이 행성은 태양 질량의 0.6배에 해당하는 모성으로부터 약 15억km 떨어진 거리(태양-지구 거리의 약 10배)에 위치하며, 지구로부터 약 1만 4천 광년 떨어져 있다"면서 "지금까지 발견된 장주기 슈퍼지구 중 가장 작은 질량을 가지고 있으며, 모성과 행성 사이의 거리가 가장 먼 행성으로, 공전주기는 약 40년 정도로 추정된다"고 설명했다.

▲ 2023년 7월 30일까지 발견된 외계행성 약 5천여 개에 대한 행성 공전주기에 따른 행성/모성 질량비(q) 분포. 검은색, 청색, 녹색 점은 각각 별표면통과(Transit), 시선속도(Radial Velocity), 직접촬영(Imaging) 방법에 의해 발견된 외계행성을 가리킨다. 자주색 점은 KMTNet이 미시중력렌즈(Microlensing) 방법으로 발견한 외계행성이며, 자주색 빈 원은 KMTNet 이외의 연구팀이 미시중력렌즈 방법으로 발견한 외계행성을 의미한다. 회색 점은 그 외 방법으로 발견된 외계행성이다. 그래프 내 자주색 별은 이번 연구에서 발견한 장주기 슈퍼지구 외계행성 ‘OGLE-2016-BLG-0007Lb’의 위치를 나타낸다. 우주항공청

우주청에 따르면, 국제 공동연구진은 KMTNet을 활용해 기존 관측시스템으로는 발견이 어려웠던 다수의 장주기 슈퍼지구를 발견했다. 이를 통해 지구형 행성과 목성형 행성을 아우르는 장주기 외계행성 표본을 구축했다.

또한 2016년부터 2019년까지 발견된 63개의 외계행성 표본을 기반으로 통계적인 빈도수를 계산한 결과, 행성의 빈도수 분포가 슈퍼지구 행성과 목성형 행성에 대응하는 쌍봉 분포를 이루고 있음을 확인했다고 한다.

우주청은 "통계적으로 100개의 별 중 슈퍼지구는 약 35개, 목성형 행성은 약 12개로 계산됐으며, 이는 이론적으로 예측된 대로 지구형 행성과 목성형 행성이 서로 다른 과정을 거쳐 형성됐음을 보여준다"면서 "우주에는 장주기 외계행성 중 지구형 행성이 더 많다는 것을 의미한다"고 부연했다.

행성이란, 일반적으로 지구형(암석형) 행성과 목성형(가스형) 행성으로 분류되며, 이들은 서로 다른 과정을 거쳐 형성된다. 더구나 장주기 지구형 행성과 목성형 행성이 다른 과정을 거쳐 형성된다면, 이들의 빈도수 분포는 이른바 쌍봉 분포를 따를 것으로 예상됐지만, 이를 뒷받침하는 관측적 증거는 그동안 발견되지 않았다.

▲ 행성/모성 질량비(q)에 따른 행성의 빈도수 분포. 녹색 히스토그램은 KMTNet에 의해 발견된 외계행성 개수 분포를 나타내며, 파란색 분포는 KMTNet 외계행성을 기반으로 예측한 장주기 외계행성의 빈도수 분포이다. 파란색 분포가 쌍봉 분포를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 검은색(멱함수) 및 자주색(이중-가우시안 함수) 곡선은 파란색 분포를 설명하기 위한 빈도수 모델이며, 최적 모델은 자주색 곡선이다. 우주항공청

또한, 기존 연구결과에서 장주기 외계행성 중 많은 행성이 지구형 행성일 것이라 예측됐으나, 실제로는 대부분 목성형 행성이 발견되었다. 이런 관측과 이론 간의 불일치는 천문학자들이 해결해야 할 중요한 숙제로 남아 있는 상황이었다.

이에 현재까지 '외계행성 발견'을 위해 다양한 관측 방법들이 고안됐으며, 이들 방법은 발견되는 외계행성의 특성이 서로 달라 상호 보완적인 관계를 형성하고 있다.

천문연이 개발해 운영 중인 'KMTNet'은 미시중력렌즈 방법을 이용해 장주기 외계행성을 발견하는 데 특화된 시스템이다. 현재까지 학계에서 미시중력렌즈 방법을 이용해 발견한 외계행성은 약 300여 개에 달하며, 그 중 KMTNet 가동 이후 직접 발견한 외계행성은 총 227개에 이른다.

이번 연구를 주도한 정연길 천문연 선임연구원은 "이론의 예측대로 지구형 행성과 목성형 행성이 다른 형성 과정을 거쳐 형성됐음을 관측적으로 입증하고, 특히 우주에 장주기 슈퍼지구가 많다는 것을 확인했다"며 "외계행성은 행성의 형성 및 진화를 이해할 수 있는 중요한 단서가 된다"고 강조했다.

윤영빈 우주항공청장도 "우리나라가 개발하고 운영 중인 KMTNet의 우수한 성능 덕분에 미시중력렌즈 방법을 통한 외계행성 발견을 선도하고 있다"면서 "앞으로도 우리 장비를 활용한 꾸준한 과학적 연구 성과를 기대한다"고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 <사이언스>지에 4월 25일자로 게재됐다. 국제 공동연구진은 KMTNet을 통해 더 많은 외계행성 표본을 확보하고, 이를 바탕으로 더욱 정밀한 관측과 분석을 이어갈 예정이라고 전했다.

외계행성탐색시스템(KMTNet, Korea Microlensing Telescope Network)이란

KMTNet은 2009년 한국천문연구원의 주요사업으로 개발이 시작된 외계행성탐색 전용 망원경 시스템이다. 이 시스템은 지구와 비슷한 환경을 가지고 있어서 생명체 존재 가능성이 있는 외계행성을 찾기 위해 개발되었으며, 지난 2015년 5월에 남반구의 칠레 CTIO(Cerro Tololo Inter-American Observatory), 남아공 SAAO(South African Astronomical Observatory), 호주 SSO(Siding Spring Observatory) 천문대에 구축됐다.

KMTNet은 미시중력렌즈 현상을 이용한 외계행성 탐색에 최적화된 시스템으로, 수개월 간의 시험 관측을 거쳐 2015년 10월 2일 본격적으로 가동을 시작했다.

남반구에 위치한 3개 천문대는 경도상으로 약 120도(또는, 각 지역 표준시로 8시간) 정도 차이가 나며, 칠레 관측소에서 관측이 끝날 즈음에는 호주에서 관측이 시작되고, 호주 관측이 끝날 즈음에는 남아공 관측소에서 이어서 관측이 진행된다. 이로 인해 KMTNet은 24시간 연속 관측이 가능한 세계 최초의 외계행성 탐색시스템으로, 시간대 차이를 활용한 효율적인 관측이 가능하다. / 설명 : 우주항공청

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