외계행성 탐색 방법 - 트랜짓(Transit)과 시선속도(Radial Velocity) 관측

현재까지 발견된 외계행성 대부분은, NASA의 외계행성 데이터베이스에서 제공하는 다음 그림과 같이

트랜짓(Transit)과 시선속도(Radial Velocity) 관측으로 발견된 것입니다.

 

[출처: exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/exoplanetplots/ ]

 

트랜짓(Transit) 관측은 다음 그림과 같이 별의 앞을 행성이 지나가게 될 때,

별 빛이 감소하는 현상을 감지하여 행성의 존재를 확인하는 것입니다.

이 방법을 이용하면, 별의 크기에 대한 행성의 크기 비율을 바로 알아낼 수 있습니다.

정확한 별의 크기를 직접 측정하는 것은 매우 어려우나, 분광형에 따른 별의 크기는 대략적으로 잘 알려져 있습니다.

따라서 행성의 크기 또한 꽤 정확하게 예측 가능합니다.

그리고 행성이 별 앞을 지나가는 시간을 측정하면, 행성의 공전속도를 알 수 있으며,

여기에 케플러 법칙을 이용하면 행성의 공전궤도 크기, 즉 별과 행성 사이의 거리를 알 수 있습니다.

(1)행성크기와 (2)행성궤도 크기, 이 두가지를 알면 행성이 지구형 행성인지, 행성이 따뜻한지 추운지 알 수 있습니다.

외계행성 트랜짓 현상으로 인한 밝기 변화 수치 모형 (TrES-2b)

시선속도(Radial Velocity) 관측은 행성으로 인한 별의 떨림(wobbling)을 감지하는 것입니다.

별에 비해 행성이 가볍긴 하지만, 행성이 별 주변을 돌기 때문에 별도 가만히 정지해 있을 수는 없습니다.

따라서 행성의 공전주기와 똑같은 주기로 별도 떨리게 됩니다.

별은 3차원 공간에서 궤도에 따라서 평면을 움직입니다.  

그러나 "도플러 효과"를 이용하여 알아낼 수 있는 움직임은 우리의 시선방향에 대한 것 뿐입니다.

행성에 의한 시선 방향의 별 떨림을 관측하는 것을, 시선속도 관측이라고 합니다.

 

이론적으로 시선속도 관측은 별과 행성의 질량비율과 행성궤도 요소를 추정할 수 있게 해줍니다.

일단 행성의 질량이 클수록 별의 시선속도 변화량이 큽니다.

그리고 행성궤도 크기가 작을 수록 별의 시선속도 변화량은 커지며 그 주기는 짧아집니다.

다음 그림을 보면 어떤 상황에서 별의 움직임이 발생하며,

이를 관측한 시선속도 변화가 스펙트럼에 어떻게 나타나는지 알 수 있습니다.

일반적으로 행성에 의한 별의 시선속도 변화 크기는 수십 m/s 정도 됩니다.

 

태양계에서 보면,

목성에 의한 태양의 시선속도 변화는 최대 12.7 m/s 이며,

지구에 의한 태양의 시선속도 변화는 최대 0.09 m/s 에 불과합니다.

현대 과학기술의 힘으로 저 멀리 떨어진 별의 이렇게 작은 시선속도 변화를 관측할 수 있을까요?

만약 행성의 공전궤도가 이심률이 큰 타원이라면, 별의 시선속도 변화는 어떻게 될까요?