외계 행성 이제는 직접 찍는다…로만 우주 망원경의 비밀 무기 ‘코로나그래프’ [우주를 보다]

과학자들은 이미 6000개가 넘는 외계 행성을 발견했고 이 숫자는 지금도 빠르게 늘어나고 있다. 특히 지난달 30일(현지시간) 발사에 성공한 ‘낸시 그레이스 로만 우주 망원경’이 내년 초부터 본격 관측을 시작하면 이 숫자는 더 빠르게 늘어날 예정이다.

로만 우주 망원경은 대선배인 허블 우주 망원경과 비슷한 2.4m 지름의 주경을 지닌 우주 망원경이다. 하지만 3억 화소의 가시광, 근적외선 카메라인 광시야 관측 장비(WFI)를 지녀 한 번에 100배나 많은 시야를 제공한다. 덕분에 수많은 별의 밝기 변화를 정확하게 관측할 수 있다.

이를 통해 기대할 수 있는 외계 행성 포착 방법은 ‘미세 중력 렌즈 효과’다. 이는 행성급의 작은 천체가 별빛을 휘게 하는 효과를 측정해 숨은 외계 행성을 찾아내는 것으로 기존의 방식과 달리 멀리 떨어진 외계 행성이나 떠돌이 외계 행성을 찾아낼 수 있다.

미세 중력 렌즈 효과는 물론 다른 망원경도 관측할 수 있다. 하지만 로만 우주 망원경의 압도적인 광시야 관측 능력을 이용해 은하 중심의 수많은 별을 지속적으로 관측하면 수많은 미세 중력 렌즈를 발견할 수 있다. 덕분에 화성보다 작은 행성이나 별에서 멀리 떨어진 행성, 그리고 별 주변을 돌지 않고 우주를 방랑하는 떠돌이 행성까지 포함해 수천 개의 새로운 행성을 발견할 것으로 예상된다.

하지만 로만 우주 망원경의 진가는 이렇게 찾아낸 외계 행성을 직접 관측한다는 점에 있다. 독일 막스 플랑크 천문학 연구소가 개발한 ‘코로나그래프 장치’(CGI)는 이제까지 만들어진 가장 정교한 광학 장비로 목성급 외계 행성의 빛을 직접 포착해 지금까지 베일에 가려져 있던 외계 행성의 비밀을 직접 풀어낼 로만 우주 망원경의 비밀 무기다.

코로나그래프는 기본적으로 태양 같은 밝은 별을 가려서 주변의 코로나 같은 구조를 보는 장치다. 현재 지상 망원경에도 코로나그래프 장치가 설치되어 별 주변에 있는 어두운 동반성을 확인하는 데 사용된다. 그런데 외계 행성의 경우 별보다 너무 어두워 코로나그래프를 사용해도 직접 관측이 쉽지 않다. 예를 들어 목성의 경우 태양보다 10억 배 어둡다.





로만 우주 망원경의 코로나그래프는 이렇게 극도로 어두운 행성을 아주 먼 거리에서 관측하기 위해 개발됐다. 이를 위해서는 정확히 중앙의 별만 가리고 행성은 가리지 않는 정확도가 필요하다. 막스 플랑크 연구팀이 개발한 정밀 정렬 시스템(PAM)은 독일 하이델베르크에서 미국 로스앤젤레스에 있는 사람을 보는 각도와 비슷한 수준의 정밀도를 지니고 있다. 그리고 적응 광학(Adaptive Optics) 및 실시간 자가 보정 시스템을 이용해 망원경 내에서 발생하는 극도로 미세한 왜곡도 보정해 희미한 행성의 빛을 정확히 포착한다.

앞서 발사된 제임스 웹 우주 망원경도 외계 행성을 직접 포착하기는 어려워서 별빛이 대기를 통과할 때를 이용해 대기 성분을 간접 측정했다. 반면 로만 망원경은 차갑고 성숙한 목성형 행성의 반사광을 직접 포착할 수 있다. 따라서 제임스 웹의 관측을 보완하고, 가스 행성의 실제 모습을 더 생생하게 보여줄 것으로 기대된다.

다만 로만 우주 망원경의 강력한 코로나그래프로도 지구 크기의 외계 행성의 빛을 직접 포착할 순 없다. 이를 위해서 나사는 차세대 우주 망원경인 거주 가능 세계 관측소(HWO)를 구상하고 있다. HWO는 제임스 웹 우주 망원경과 비슷한 6m 지름의 주경을 지닌 우주 망원경으로 코로나그래프를 이용해서 지구 크기의 외계 행성을 직접 탐사한다. 로만 우주 망원경은 HWO의 중요한 기술적 토대가 될 것이다.

지금까지 과학자들은 외계 행성을 찾아냈어도 그 특징에 대해서는 주로 간접적인 정보에 의존해서 추론할 수밖에 없었다. 이런 점에서 로만 우주 망원경은 외계 행성 연구를 다음 단계로 끌어올릴 차세대 망원경으로 주목받고 있다. 앞으로 그 활약이 기대된다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com