외계 행성을 찾아서 홍 승수 , 물리 천문학부

관악 _10-05-01

외계 행성체에 관한 사고 실험 _ 100426

1) 외계 행성 체 및 행성 계와 관련하여 자신이 알고 싶은 것들이 무엇인지 하나씩 나열해 보시오 . 그리고 그러한 사실들을 알고 싶은 이유가 무엇인지 각각 설명하시오 . 그러니까 자신이 구상하는 연구의 목적과 그러한 연구의 당위성 , 중요성 , 또는 가치 등을 생각해 보란 말입니다 .

2) 그러한 사실들을 알아내기 위하여 어떤 관측을 수행해야 할지 생각해 보시오 . 그러한 관측이 현실적으로 가능한지 여부를 가늠해 보시오 . 현실적으로 불가능하다면 그 이유가 무엇인지 설명하시오 . 불가능의 한계를 뛰어넘으려면 앞으로 우리가 또 무엇을 해야 할지 생각해보시오 .

3) 자신에게 이와 같은 관측 자료가 주어진다면 그 자료를 이용하여 외계 행성에 관하여 어떤 정보 또는 성질을 알아낼 수 있겠습니까 ? 알아내는 방법을 설명하시오 .

4) 현재까지 알려진 행성 체 400 여 개의 정보를 근거로 하여 자신이 1) 에서 제시한 주제의 연구를 수행할 수 있는지 설명하시오 . 수행할 수 없다면 어떤 정보가 더 필요한지 얘기하시오 . 왜 그와 같은 정보가 필요한지 그 이유를 설명하기 바랍니다 .

관악 _10-05-01

5) 현존 관측 정보를 활용하여 연구를 수행하기 이전에 , 후보 답들을 예측해 보기 바랍니다 . 자신에게 앞으로 주어질 자료를 근거로 자신이 구사하고 싶은 분석의 방법을 제시하라는 문제입니다 .

6) 실제 분석을 하기 이전이지만 , 그 결과가 어떻게 나타날지 예상해 보시오 . 물론 예상 결과는 단 한 가지가 아니라 여러 가지일 수 있습니다 . `` 분석을 통하여 `이러저러한 ' 결과를 얻게 된다면 1) 에서 제기한 질문의 답이 ` 그러저러한 ' 것으로 판명될 것이다 " 하는 식으로 답을 해보시오 .

외계 행성체에 관한 자료 분석 _ 100426

1: 이상의 자료를 잘 분석하여 자신이 외계 행성에 관하여 알아내고 싶었던 사실들을 확인하시오 . 자신이 찾은 답을 그저 어떻다고 제시할 것이 아니라 , 그와 같은 답이 나오게 된 근거를 제시해야 한다 . 여기 제공된 자료를 잘 분석하여 근거를 만들기 바란다 .

2: 세 번째 줄을 보면 알 수 있듯이 여태껏 찾아낸 외계 행성들의 질량이 주로 목성 질량의 수배가 된다 . 다시 말해서 이들은 지구와 같은 고체 행성이 아니라 목성이나 토성과 같은 기체 행성일 확률이 높다는 것이다 . 왜 외계에서 찾아낸 행성들의 질량이 지구보다 월등히 큰지 그 이유를 설명하기 바란다 .

3: 현재 기술로서 지구 정도의 행성을 찾아내기 어려운 이유가 무엇인지 생각해 보시오 . 참고로 목성은 질량이 지구의 312 배나 된다 .

4: 앞으로 외계 행성을 찾아내는 관측 기술이 발달된다면 목성보다 질량이 월등히 작은 지구형의 고체 행성들도 발견할 수 있을 것이다 . 여기 주어진 자료를 이용하여 지구형 행성이 발견될 시기가 언제쯤일지 예측하기 바란다 . 물론 자신의 예측을 정당화 할 수 있는 근거가 제시돼야 한다 .

5: 현재까지 발견된 외계 행성들 중에는 궤도 긴 반지름이 수성의 궤도보다 작은 것들이 있다 . 천문학자들을 이러한 관측적 사실에 크게 놀랐다 . 이 놀람의 배경이 무엇인지 설명하시오 . 다시 말해서 목성 , 또는 목성보다 훨씬 더 큰 질량의 행성 체들이 중심 별에 그렇게 가까이 있으면 행성에 어떤 일이 생길 수 있는지 따져 보시오 . 중심 별에 그와 같이 가까운 곳에서는 목성과 같이 무거운 행성들이 태어날 수 없다고 한다 . 그 이유가 또 무엇인지 설명해 보시오 .

외계 행성의 검출

1. 외계에서 행성을 찾아라 !1) 태양 행성계의 오늘 모습2) 내가 세운 가정 : 이렇게 하면 어떻겠습니까 ? 3) 외계 행성의 직접 촬영이 어려운 이유4) 간접적으로 확인할 수 있는 방법

2. 파동의 도플러 현상

3. 중심 별의 궤도 운동 모니터링1) 중심 별의 흔들림2) 흔들린 각 거리와 흔들림 속도3) 시선속도 관측 자료 분석

4. 중심 별의 광도 변화 모니터링1) 행성에 의한 중심 별의 엄폐2) 미시 중력 렌즈 현상을 이용한 행성 검출

5. 행성 검출 방법의 성능 비교

1. 외계에서 행성을 찾아라 !

1) 태양계의 오늘 모습

1 AU = 1.5 x 108 km

태양 - 명왕성 거리 = 39.94 AU

태양 - 목성 거리 = 5.20 AU

태양 질량 1.99 x 1030 kg

태양 반경 6.99 x 105 km

ME = 5.98 x 1024

kg

RE = 6.38 x 103 km

MJ = 1.90 x 1027

kg

RJ = 7.15 x 104 km

1.00 0.11

318 95

15

17

0.002

0.81

0.06

회전 성간운의 중력 수축

미행성에서 원시 행성으로

태양계 기원의 밑그림 :

태양계의 구성원들은 모두 하나의 회전 성간운에서 탄생회전 성간운이 중력 수축을 통해 얇은 회전 평판으로 진화티끌들이 서로 엉겨 붙어서 미행성체로 성장한 다음 , 미행성체들이 다시 중력적으로 결합하여 행성으로 성장행성 , 위성 , 소행성 , 혜성 핵 ( 미행성체 ) 등이 모두 회전 기체 평판에서 성장 진화

다른 별들도 태양과 마찬가지로 행성들을 거느리고 있을 것이다 !!!

2) 내가 세운 가정 : 이렇게 하면 어떻겠습니까 ?

3) 외계 행성의 직접 촬영이 어려운 이유

행성 발 광자의 직접 검출

태양계 @ 10 pc

측광 감도 지구의 밝기 가시광 = 29mag 근적외선 = 20mag

해상도 지구 – 태양 거리 0.1”

별과 행성의 밝기 대비 RV~1010 ; RN~107

산란광 대 방출광 코로나그래프 적외선 간섭계

중심 별과 행성의 가시광 밝기의 엄청난 차이 100억 배 적외선 관측

점 광원 ~ 빛의 회절 원반상 (diffraction limited image)

대기의 요동 ~ 광로의 변경 시상 (視像 , seeing disk)

그런데 시상의 크기 >> 회절 원반 1) 인공위성을 이용하여 지구 대기 밖으로 나가서 관측 2) 능동 광학 , 대기의 난류 특성을 실시간으로 측정하여 보정

광학계의 내부 산란 + 두 광원의 밝기 차이 직접 촬영으로 모성과 행성을 분해하기 지극히 어렵다 .

코로나그래프 , 적외선 이미징

그러므로 간접 확인의 방법을 이용하는 게 차선의 방책이다 .

직접 검출 방법 :

거대 구경 망원경 + 적외선 카메라망원경 두 대를 우주에 띄워서 간섭 현상을 이용하여 중심 별의 밝기를 상쇄하고 행성만

보도록 하는 방법

간접 확인 방법 :

도플러 효과를 이용한 모성의 시선 속도 변화 / 분광중심 별이 가려질 때의 광도 변화 / 측광 + 분광미세 중력 렌즈 현상의 검출 / 지상 + 우주 관측 우주 측성학의 기법

4) 간접적으로 확인할 수 있는 방법

Sirius A, B 의 측성 관측

안시 쌍성계의 천구상 운동 태양을 10pc 거리에서 볼 경우

2. 파동의 도플러 현상

(obs - o) o = vrad c ; o = vrad c

파장의 도플러 편이 에서 관측자의 광원이나 음원에 대한 상대 운동 속도 , 또는 시선속도 vrad 를 측정할 수 있다 .

상대 속도 / 광속 = 파장의 변화 / 기준 파장

3. 중심 별의 궤도 운동 모니터링1) 중심 별의 흔들림

2) 흔들린 각 거리와 흔들림의 속도

속도 파장 차이

파장 측정의 상대 정밀도위치 측정의 절대 정밀도

지구에 의해 태양이 흔들리는 속도 Vrad, E = 30 km s-1 x mE (M⊙ + mE)

= 3 x106 cm s-1 x [6x1027g/ 2x1033g]

= 9 cm s-1

max, E = 5000Å x 9 cm s-1 3 x1010 cm s-1

= 1.5 x 10-6 Å

목성에 의해 태양이 흔들리는 속도 Vrad, J = 1.4 x106 cm s-1 x mJ (M⊙ + mJ)

= 13 m s-1

max, J = 2 x 10-4 Å

파장을 정확하게 측정하기 위하여 독가스의 위험을 무릅써야 했다 !

현대의 파장 측정 정밀도는 수 m/s 의 속도까지 측정할 수 있다 .

아직 지구형 행성에 의한 중심 별의 흔들림은 검출하기 어려운 실정이다 .

3) 시선 속도 관측 자료 분석

시선 속도 곡선에서 찾아낼 수 있는 행성과 행성 궤도의 특성

행성의 질량이 클수록 ,중심 별의 질량이 작을수록 ,중심 별과 행성의 거리가 가까울수록 중심 별의 흔들림 속도가 크다 .

궤도 면이 우리의 시선 방향과 평행할 때 측정된 시선 속도가 중심 별의 궤도 운동 속도와 일치한다 .

궤도 면이 우리의 시선 방향에 수직일 경우라면 궤도 운동에 의한 시선 속도가 ZERO 가 될 것이다 .

관측의 선택 효과 : ‘ 뜨거운 목성 , Hot Jupiter’ 문제

행성 질량의 하한 값 ; 궤도 긴반지름 ; 궤도 운동 주기

4. 중심 별의 광도 변화 모니터링

1) 행성에 의한 중심 별의 엄폐

금성의 일면 통과 日面 通過

금성에 의한 태양의 엄폐

외계 행성에 의한 중심 별의 가려짐

HD209458

측광과 분광 관측을 동시에 할 수 있다 . 그러므로 행성 질량의 하한값과 궤도 긴바지름을 얻어낼 수 있으며 , 여기에 더해서 행성의 반경이 측정된다 .

행성의 면적 / 중심 별의 면적 1.6 x 10-2 측광 관측

[Rp/Rs]2 1.6 x 10 -2 Rp 1.3 x 10-1 Rs

어느 별이 언제 엄폐가 일어날지 예측하기 어렵다 . 도플러 모니터링으로 행성의 존재가 확인된 별의 밝기를 지속적으로 측광 관측을 해야 엄폐의 순간을 잡을 수 있다 .

엄폐 개시 전과 후의 스펙트럼을 비교하면 행성 대기의 화학 성분에 대한 정보를 알아낼 수 있다 . 이 방법으로 행성 대기에의 수증기의 존재가 알려진 외계 행성도 있다 .

이러한 분광 관측 방법으로 생명 현상의 증거를 찾을 수 있을 것으로 기대된다 .

거시 중력 현상

Einstein ring

2) 미시 중력 렌즈 현상을 이용한 행성 검출

“ 인생에는 두 가지 삶 밖에 없다 . 한 가지는 기적 같은 건 없다고 믿는 삶이고 , 또 한 가지는 모든 것이 기적이라고 믿는 삶이다 . 내가 생각하는 인생은 후자이다 . “ – Albert Einstein

“ A Splendid Feast of Gravitational Lenses ”

미세 중력 렌즈 현상을 활용하는 방법

미세 중력 렌즈 현상의 관측 예

5 pc 거리 상정

현재 지상에서 동원할 수 있는 검출 방법으로는 지구형 고체 행성은 발견하기 어렵다 . 그러나 우주선에서 수행될 미세 중력 렌즈 , 측성 관측 , 전파 간섭 등을 이용한 기법으로 앞으로 10년 안에 지구형 고체 행성의 검출도 가능할 것이다 . 여러분 자신의 예측은 어떠한지 ?

5. 행성 검출 방법의 성능 비교