천문연, 지구 1.3배 크기 외계행성 발견

KMTNet, 외계행성 300여개 발견 선도, 25일 사이언스지 게재

한국천문연구원이 참여한 국제 공동연구진이 외계행성탐색 시스템(KMTNet)을 활용, 토성보다 먼 궤도로 공전하는 장주기 슈퍼지구 외계행성을 발견했다.

이번 발견은 그동안 증명하지 못했던 '우주에는 장주기 외계행성 중 지구형 행성이 더 많다는 이론'을 증명했다는 데 큰 의미가 있다.

호주 SSO 천문대에 설치된 외계행성 탐색시스템. 외계행성 탐색시스템 홈페이지 제공

우주항공청은 천문연의 외계행성 탐색 전용 망원경 시스템인 KMTNet으로 태양이 아닌 다른 별 주위를 1년 이상의 주기로 공전하는 외계행성 'OGLE-2016-BLG-0007Lb'을 발견, 25일 사이언스지에 게재됐다고 밝혔다.

이번에 발견된 외계행성은 지구 질량의 1.3배 정도 되는 슈퍼지구 행성으로, 태양 질량의 0.6배에 해당하는 모성으로부터 약 15억㎞ 떨어진 거리(태양-지구 거리의 약 10배)에 위치하며, 지구로부터 약 1만4000광년 떨어져 있다. 지금까지 발견된 공전 주기 1년 이상의 장주기 슈퍼지구 중 가장 작은 질량을 가지고 있으며, 모성과 행성 사이의 거리가 가장 먼 행성으로, 공전주기는 약 40년 정도로 추정된다.

공동연구진은 KMTNet을 활용해 기존 관측시스템으로 발견하기 어려웠던 다수의 장주기 슈퍼지구를 발견했으며, 이를 통해 지구형 행성과 목성형 행성을 아우르는 장주기 외계행성 표본을 구축했다.

2016년부터 2019년까지 발견된 63개의 외계행성 표본을 기반으로 통계적인 빈도수를 계산한 결과, 지구처럼 암석으로 이뤄지고 질량이 지구의 1~10배 사이인 슈퍼지구 행성과 목성형 행성이 대부분이었다.

통계적으로 100개의 별 중 슈퍼지구는 약 35개, 목성형 행성은 약 12개이며, 이론적 예측대로 지구형 행성과 목성형 행성이 서로 다른 과정을 거쳐 형성됐음을 나타내고, 우주에는 장주기 외계행성 중 지구형 행성이 더 많다는 것을 의미한다.

행성은 일반적으로 지구형(암석형) 행성과 목성형(가스형) 행성으로 분류되며, 이들은 서로 다른 과정을 거쳐 형성된다. 장주기 지구형 행성과 목성형 행성이 다른 과정을 거쳐 형성된다면, 이들의 빈도수는 둘이 엇비슷할 것으로 예상됐지만, 이를 뒷받침할 관측적 증거가 발견되지 않았다.

또 기존 연구결과에 따르면 장주기 외계행성 중 많은 행성이 지구형 행성일 것이라 예측됐으나, 실제로는 대부분 목성형 행성이 발견되면서 관측과 이론 간의 불일치가 천문학자들이 해결해야 할 중요한 숙제로 남아 있었다.

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

천문연이 개발해 운영 중인 KMTNet은 미시중력렌즈 방법을 이용해 장주기 외계행성을 발견하는 데 최적화된 시스템이다. KMTNet은 2009년 한국천문연구원의 주요사업으로 개발이 시작된 외계행성탐색 전용 망원경 시스템으로, 이 시스템은 지구와 비슷한 환경을 가지고 있어서 생명체 존재 가능성이 있는 외계행성을 찾기 위해 개발됐다.

2015년 5월에 남반구의 칠레 CTIO(Cerro Tololo Inter-American Observatory), 남아공 SAAO(South African Astronomical Observatory), 호주 SSO(Siding Spring Observatory) 천문대에 구축됐고, 수개월 간의 시험 관측을 거쳐 그해 10월2일 본격 가동됐다.

현재까지 학계에서 미시중력렌즈 방법을 이용해 발견한 외계행성은 300여개에 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"면서 "외계행성은 행성의 형성 및 진화를 이해할 수 있는 중요한 단서가 된다"고 강조했다.

이번 연구에는 중국 칭화대학교의 웨이청 장, 천문연의 정연길, 이충욱 연구원 등 68명의 연구원이 참여했다. 연구진은 KMTNet을 통해 더 많은 외계행성 표본을 확보하고, 이를 바탕으로 더욱 정밀한 관측과 분석을 이어갈 예정이다.

윤영빈 우주청장은 "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.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr