슈퍼지구(Super-Earth)

Corea-Biz 2025. 4. 25. 11:55

[매일경제] 韓망원경으로 슈퍼지구 발견 … 행성 탄생의 비밀 푼다

핵심키워드 외계행성, 미시중력렌즈 관측 기술, 지구형 행성, 목성형 행성, 해왕성형, 슈퍼지구, 외계행성탐색시스템(KMTNet)

미시중력렌즈(gravitational microlensing)
천체들 사이 중력렌즈 작용으로 상이 여러 개 만들어지거나 모양이 변형되지만, 각크기가 미시적(micro) 규모여서 상의 변화는 관측하지 못하고 밝기의 변화로만 확인할 수 있는 중력렌즈 현상이다. 일반적으로 별과 별 사이에 생기는 중력렌즈를 말하지만 중력렌즈된 퀘이사에서 일어나는 퀘이사미시중력렌즈(quasar microlensing)도 미시중력렌즈의 한 종류이다.

미시중력렌즈 관측 기술의 원리
미시중력렌즈(Microlensing)는 아인슈타인의 일반상대성이론에 기반한 현상으로, 질량을 가진 천체가 그 주변의 시공간을 휘게 만들어 뒤에 있는 광원의 빛이 휘어지는 현상을 말합니다. 이로 인해 관측자는 광원의 밝기가 일시적으로 증가하는 것을 감지할 수 있습니다.

작동원리?
정렬: 먼 배경에 있는 별(광원)과 그 앞을 지나는 별(렌즈)이 지구에서 볼 때 거의 일직선상에 놓일 때 발생합니다. 중력에 의한 빛의 굴절: 렌즈 역할을 하는 별의 중력이 그 뒤에 있는 광원의 빛을 휘게 만들어, 마치 볼록렌즈처럼 광원의 빛을 모읍니다. 밝기 변화 감지: 이로 인해 광원의 밝기가 일시적으로 증가하며, 이를 지구에서 관측할 수 있습니다. 이러한 밝기 변화는 시간에 따라 특정한 곡선을 그리며, 이를 통해 렌즈 천체의 특성을 분석할 수 있습니다.

어떠한 정보를 취득 하는가?

외계 행성 탐지: 렌즈 역할을 하는 별에 행성이 있을 경우, 그 행성의 중력도 빛을 추가로 굴절시켜 밝기 곡선에 특징적인 변화를 일으킵니다. 이를 통해 외계 행성의 존재를 간접적으로 확인할 수 있습니다. 암흑 물질 연구: 빛을 방출하지 않는 암흑 물질도 중력을 가지므로, 미시중력렌즈 현상을 통해 그 존재를 추정할 수 있습니다.

미시중력렌즈로 외계행성 찾기
미시중력렌즈가 일어날 때 렌즈별이 행성을 가지고 있는 경우에는 상의 밝기 변화가 좀 더 복잡해진다. 렌즈된 상의 밝기가 일정하게 변하는 것이 아니라 특정 시점에서 불규칙한 밝기 변화가 생긴다. 이는 흠이 있는 볼록렌즈로 작은 광원을 관측할 때 렌즈된 상이 일정하게 커지다가 흠이 있는 부분에서는 불규칙하게 모양이 변형되게 되는 경우와 비슷하다. 그림 3의 실선은 한 개의 행성이 있는 외계행성계에 의해 광원별이 미시중력렌즈되는 경우의 밝기 변화를 보여주고 있다. 가장 밝아졌을 때를 약간 지난 시점(그림 3에서 적색 화살표로 표시된 부분)에서 미세한 불규칙적인 밝기 변화를 보여준다. 그런데 이 짧은 불규칙적인 밝기 변화의 특성은 행성의 질량과 모성(host star)과의 상대적 위치에 따라 달라지므로 관측된 밝기 변화와 잘 맞는 이론적인 별-행성 모형을 찾아낼 수 있고, 이로써 행성의 질량과 위치를 결정할 수 있다.

외계행성탐색시스템(KMTNet)
외계행성(exoplanet)은 일반적으로 분광관측으로 모성의 속도 변화를 검출하거나 행성이 모성을 가로지르면서 모성의 밝기가 살짝 변하는 것을 검출하여 발견하게 되는데 이 두 방법은 모두 행성이 크고 무거우며 모성에 가까이 있는 경우를 주로 발견하게 되고 지구같이 작으면서 모성에서 떨어져 있는 행성계는 찾기 어렵다. 하지만 미시중력렌즈 효과를 검출할 경우 작고 먼 행성도 발견할 수 있어서 지구형 행성을 찾아내는데 유리할 수 있다. 전 세계 적지 않은 천문학자들이 이 방법으로 외계행성을 찾으려고 시도하고 있는데 한국천문연구원(KASI)도 2015년부터 1.6m 광시야 망원경과 3.4억 화소의 초대형 모자이크 CCD 카메라를 칠레, 호주, 남아프리카공화국 등 3개 국가의 관측소에 설치하여 우리은하 중심부의 수억 개 별을 24시간 연속 관측하는 외계행성탐색시스템
(Korea Microlensing Telescope Network, KMTNet)을 개발, 운영하고 있으며 이로써 많은 흥미로운 외계행성들을 찾아내고 있다.

[네이버 지식백과] 미시중력렌즈 [gravitational microlensing] (천문학백과)

슈퍼지구란?

지구와 유사한 암석형 행성이지만, 질량이 지구의 약 2배에서 10배 사이인 외계 행성을 말합니다. 이들은 가스형 행성인 천왕성이나 해왕성보다는 작지만, 지구보다는 훨씬 큽니다. 슈퍼지구는 지구처럼 암석으로 이루어져 있지만, 그 질량이 매우 커서 지구질량의 약 2배~10배 정도에 이르는 천체입니다. 질량이 천왕성 및 해왕성에 버금가는 수준이며, 초기에 발견된 슈퍼지구들은 어머니 항성에서 매우 가까운 곳을 돌고 있는데다, 아직 이들의 조성물이 암석인지 가스 덩어리인지 확실하게 검증되지 않았기 때문에, 조성 성분이 암석이 아니라 기체라고 가정할 경우 뜨거운 목성에 빗대어 뜨거운 해왕성이라고도 불립니다. 지금까지 발견된 슈퍼지구들의 궤도를 보면, 어머니 항성으로부터 충분한 복사열을 공급받고 있습니다. 이 때문에 우리 태양계의 목성형 행성들처럼 궤도상의 가스를 끌어들여 자라난 상태는 아닐 것으로 추측하고 있습니다.

지구보다 크지만 해왕성이나 목성과 같은 가스 거인보다는 작은 이 행성들은 지구와 유사한 환경을 가질 가능성 때문에 천문학자와 우주생물학자들의 주목을 받고 있습니다.

슈퍼지구의 특징

지질 활동: 슈퍼지구는 지구보다 지질 활동이 활발할 수 있습니다. 더 얇은 판이 더 큰 응력을 받아 판 구조 운동이 더 활발하게 일어날 수 있습니다.
온도: 슈퍼지구의 대기, 반사율, 온실 효과 등이 알려지지 않았기 때문에 표면 온도를 정확히 알 수 없습니다. 일반적으로는 평형 온도만 제공됩니다.
자기장: 슈퍼지구의 질량은 높은 압력과 점도를 유발하여 내부가 분화되지 않을 수 있습니다. 그러나 마그네슘 산화물이 액체 금속 상태가 되어 맨틀에서 자기장을 생성할 가능성도 있습니다.
거주 가능성: 약 2배의 지구 질량을 가진 슈퍼지구는 더 두꺼운 대기와 강한 자기장을 가질 수 있어 생명체에 유리할 수 있습니다. 또한, 더 오랜 기간 동안 판 구조 운동을 유지하여 기후를 안정시킬 수 있습니다.

최근 발견된 주목할 만한 슈퍼지구들

1. HD 20794 d – 생명체 존재 가능성이 있는 가까운 슈퍼지구

위치: 지구에서 약 20광년 떨어진 곳에 위치한 태양과 유사한 별 HD 20794를 공전합니다.
특징: 질량이 지구의 약 6배이며, 생명체 거주 가능 영역에 위치해 있어 표면에 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 있습니다.

2. TOI-715 b – 거주 가능 영역 내의 슈퍼지구

위치: 지구에서 약 137광년 떨어진 곳에 위치한 별을 공전합니다.
특징: 지구보다 약 1.5배 넓은 반경을 가지며, "보수적인" 거주 가능 영역 내를 공전합니다. 이는 표면에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도를 유지할 수 있음을 의미합니다.

3. K2-18b – 생명체 존재 가능성이 제기된 하이시안 세계

위치: 지구에서 약 124광년 떨어진 곳에 위치한 적색 왜성 주위를 공전합니다.
특징: 지구보다 약 2.6배 크며, 대기에서 물의 증기와 함께 생명체의 지표로 여겨지는 디메틸 설파이드(DMS)가 발견되었습니다. 이는 지구의 해양 식물성 플랑크톤이 생성하는 물질로, 외계 생명체의 존재 가능성을 시사합니다.

국내 연구진이 발견한 슈퍼지구: OGLE-2016-BLG-0007Lb

OGLE-2016-BLG-0007Lb는
1) 지구에서 약 14,000광년 떨어진 곳에 위치한 외계 행성으로,
2) 질량은 지구의 약 1.3배이며,
3) 공전주기는 약 40년입니다.
이 행성은 어머니 항성으로부터 지구-태양 거리의 약 10배 떨어진 궤도를 돌고 있습니다. 이는 지금까지 발견된 슈퍼지구 중 가장 작고, 어머니 항성으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 행성 중 하나입니다 .

시사점
이 행성의 발견은 외계 행성 탐사의 새로운 가능성을 열어줍니다. 특히, 지구와 유사한 질량을 가진 행성이 은하 중심부 근처에서도 존재할 수 있다는 점에서 중요합니다. 이는 우리 은하에 지구와 유사한 행성이 더 많이 존재할 수 있음을 시사합니다.