[사이언스] 외계행성의 지형까지 찍을 수 있는 망원경 개발 프로젝트

[비즈한국] 아래 사진은 지구의 밤하늘에서 아주 밝게 빛나는 유명한 별 중 하나인 남쪽물고기자리의 포말하우트다. 이 눈부시게 빛나는 별 곁에는 외계행성이 하나 맴돌고 있다. 사진을 잘 들여다보자. 과연 찾을 수 있는가?

사진=NASA, ESA, and the Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin(ESA/Hubble)

당연히 맨눈으로는 그냥 보이지 않는다. 행성은 별과 달리 스스로 빛나지 않는다. 중심 별빛을 반사하며 어렴풋하게 보일 뿐이다. 게다가 중심의 훨씬 더 밝은 별빛에 파묻혀 숨어 있다. 그래서 이 밝은 별빛 속에 파묻힌 외계행성의 모습을 드러내기 위해선 복잡하고 수학적인 이미지 처리 과정이 필요하다.

천문학자들은 여러 관측 소프트웨어를 활용해서, 포토샵으로 원하는 잡티만 골라서 지워서 사진을 보정하듯 중심에 밝게 빛나는 별빛의 프로파일을 수학적으로 모델링해서 별빛 성분만 지우는 방식으로 사진을 분석한다. (점광원인 별빛은 수학적으로 가우시안 정규 분포를 따르기 때문에 정중앙의 최대 밝기를 적용한 정규 분포를 적용하면 수학적으로 별빛 자체의 성분만 모델링할 수 있다.)

이렇게 모델링한 별빛 성분을 싹 지워주면, 놀랍게도 별빛의 밝은 잔상 속에 파묻혀 있던 작은 얼룩들이 드러난다. 천문학자들은 무려 8년여에 걸친 끈질긴 관측 끝에 이 별빛 속에 숨어서 천천히 흘러가는 작은 얼룩의 움직임을 발견했다. 그리고 바로 이 분석을 통해 포말하우트라는 눈부신 별 주변에서 외계행성을 찾았다.

중심에서 밝게 빛나던 별 포말하우트의 밝기 프로파일을 수학적으로 지워서 주변에 숨어 있던 먼지 띠와 외계행성의 모습이 드러났다. 8년여 간에 걸쳐 천천히 움직이고 있는 작은 얼룩의 모습으로 외계행성이 발견되었다. 사진=NASA and ESA

이렇게 직접 사진을 찍고 그 사진을 열심히 파헤쳐서 실제 인증샷으로 외계행성의 존재를 확인하는 방식을 직접 찍는 방식, 다이렉트 이미징(Direct imaging)이라고 한다. 말그대로 ‘직찍’ 방식이라고 보면 된다. 얼핏 생각하면 아주 성능이 좋은 망원경으로 열심히 사진을 찍는 직찍 방식으로 외계행성을 찾으면 되지 않을까 싶지만 오히려 천문학자들이 가장 선호하지 않는 가장 비효율적인 탐색 방식이다.

물론 최근 광학 기기의 발전 덕분에 직찍 방식을 통해 실제 인증샷과 함께 존재가 확인된 외계행성들도 없지는 않다. 하지만 지금까지 이렇게 확인된 외계행성은 다 모아봤자 채 서른 개를 넘지 못한다. 그나마 중심의 밝은 별빛에 덜 파묻혀 있어야 발견하기 쉽고, 행성이 크기가 커야 좀 더 쉽게 찾을 수 있다. 그래서 이런 직찍 방식으로 발견되는 외계행성은 대부분 별에서 멀리 떨어진 큰 궤도를 그리는 덩치 큰 행성들, 태양계로 치면 어둠과 추위로 얼어붙은 해왕성, 천왕성 같은 행성들 위주로 발견된다.

이런 방식으로는 우리가 가장 찾고 싶은 지구와 같이 따뜻하고 덩치가 작은 행성은 거의 찾을 수 없다. 게다가 큰 궤도를 그리는 행성들은 공전 주기도 굉장히 길기 때문에 직찍 방식으로 뭔가 정말 별 주변을 맴돌고 있다는 걸 확인하려면 10년 정도 꾸준히 같은 별을 관측해야 하는 엄청난 인내심까지 필요하다.

그나마 직찍에 성공한 외계행성의 모습도 밝은 별빛에 파묻힌 뿌옇고 작은 얼룩의 모습에 불과하다. 우리가 기대하는 파란 바다와 푸른 육지가 선명하게 보이는 모습의 인증샷은 지금의 기술로는 절대 얻을 수 없다. 그저 뿌옇게 보이는 작은 점의 형체만 보면서, 간접적으로 얻은 여러 데이터를 종합해 그 외계행성의 환경과 조건이 어떤 모습일지를 수치로 유추할 뿐이다. (물론 그러한 추측은 아주 체계적이고 과학적이며 충분히 신뢰할 수 있다.)

그렇다면 외계행성의 실제 모습을 직접적인 인증샷으로 선명하게 담는 방법은 없을까? 놀랍게도 최근 천문학자들은 아직까지 실현하지 못한 이 어려운 시도에 도전하려 하고 있다.

외계행성을 지구만큼 선명하게 촬영하는 놀라운 아이디어가 논의되고 있다!

#별빛이 너무 밝다면 별을 직접 가리면 어떨까?

중심에서 너무 밝게 빛나는 별빛에 외계행성의 모습이 파묻혀서 문제라면, 아예 처음 관측할 때부터 그 밝은 별빛을 싹 가리고 사진을 찍으면 어떨까? 마치 밤하늘의 별을 보려고 하는데 가까이서 빛나고 있는 가로등이 방해가 된다면, 손으로 가로등 불빛을 살짝 가려놓고 별을 보는 것처럼 말이다.

실제로 이런 방식은 천문학에서 이미 오래전부터 사용되고 있다. 특히 태양 주변의 코로나나 태양 대기 활동을 관측하는 태양 망원경들도 밝은 태양 원반 자체를 처음부터 가려놓고 관측하는 이 방식을 사용한다. 이렇게 인공적인 가림막으로 밝은 광원을 가리고 주변의 어두운 형체를 관측하는 방식을 코로나그래프라고 한다.

이제 천문학자들은 단순히 망원경 카메라에 작은 가림막을 다는 수준이 아니라, 아예 거대한 별빛 가림막을 우주로 띄워서 처음 관측할 때부터 별빛을 직접 가려버리는 아이디어를 고민하고 있다. 기존의 방식은 일단 관측을 하고 나서 별빛을 수학적인 툴로 지우거나, 망원경 카메라에 설치된 작은 가림막으로 별빛을 가리는 수준이었다면, 아예 거대한 인공적인 가림막을 망원경과 함께 우주로 띄워서 별을 관측할 때부터 그 별을 지워버리는 시도다!

우주 망원경과 함께 방향을 맞춰서 별을 가리고 주변 외계행성을 관측하는 스타셰이드. 이미지=NASA

이를 위해 천문학자들은 거대한 해바라기 꽃잎 모양의 별빛 가림막 스타셰이드(Starshade)를 개발하고 있다. 계획은 이렇다. 우주 망원경과 함께 지름 25m에서 최대 100m의 거대한 스타셰이드가 달 궤도 너머 라그랑주 2 포인트까지 올라가 안정적인 궤도에 안착한다. 이후 스타셰이드는 우주 망원경에서 약 3만에서 10만 km 거리를 유지하며 우주 망원경이 조준하는 별 앞의 시야를 가리면서 별빛만 싹 가린다. 그러면 별빛에 파묻혀 있던 그 주변의 어두운 외계행성들의 실제 모습이 드러나게 된다.

말 그대로 별빛을 아예 우주에 올라가서 가려버리고 외계행성의 실제 사진을 담아내는 도전이다. 이를 위해서는 아주 정밀한 편대 비행처럼 우주 망원경의 시야 방향과 스타셰이드의 위치를 함께 맞춰서 움직이도록 하는 정밀한 궤도 얼라인먼트(Alignment) 기술이 필요하다. 망원경과 스타셰이드 사이의 거리가 2mm 수준으로 아주 정밀하게 일정하게 유지될 수 있는 컨트롤 기술도 필요하다.

우주 망원경과 거대 지상 망원경 등과 협력해서 스타셰이드의 방향을 조정해 다양한 별 주변의 외계행성의 실제 모습을 다이렉트 이미징으로 관측할 수 있다. 이미지=NASA

특히 스타셰이드가 단순히 동그란 원 모양이 아니라 끝이 톱니, 꽃잎처럼 뾰족뾰족한 모양으로 설계된 이유는 가림막으로 별빛이 가려질 때 발생하는 회절 효과를 최소화하기 위해서다. 단순히 동그란 원 모양의 가림막으로 별빛을 가리면 가림막 사방에 둥근 동심원 형태로 퍼진 회절된 빛의 잔상이 남게 된다. 완벽하게 별빛의 성분만 싹 깔끔하게 가리기 어려워진다. 그래서 가장자리를 톱니 모양으로 디자인해서 이러한 회절 잔상 무늬가 남지 않도록 설계했다.

천문학자들은 이미 스타셰이드의 프로토타입을 개발해 다양한 실험을 진행하고 있다. 이 거대한 가림막을 우주로 띄우는 방법은 종이 접기에서 아이디어를 얻었다. 효과적으로 가림막을 접어서 발사체 안에 구겨 넣은 뒤 우주에 올라가서 동시에 활짝 펼쳐서 궤도를 조정한다는 계획이다.

현재 천문학자들은 2021년 곧 발사 예정인 JWST(제임스 웹 우주 망원경)나 WFIRST(광각 적외선 우주 망원경)와 같은 차세대 우주 망원경과 이 스타셰이드를 함께 운용하는 방안을 고려하고 있다. 또 곧 완공 예정인 초거대 지상 망원경들과 생명체가 살 수 있는 지구형 외계행성만을 찾는 것을 목표로 발사할 예정인 HabEx(Habitable Exoplanet Observatory) 우주 망원경과 함께 운용하는 계획도 있다. 이렇게 스타셰이드가 우주에 올라가기만 한다면 궤도를 적당히 조절해서 기존의 여러 우주 망원경과 협력해 다양한 방향의 지구형 외계행성의 모습을 직접 찍을 수 있다.

#단순히 점이 아니라 대륙과 바다의 모습까지 담아라

물론 스타셰이드가 성공한다 하더라도 결국 관측을 통해 얻을 수 있는 건 작고 흐릿한 점의 모습의 외계행성 사진뿐이다. 결국 지상 망원경과 소프트웨어로만 해결하던 직찍 방식을 거대한 가림막과 우주 망원경으로 진행하는 것에 불과하다고도 볼 수 있다. 그런데 천문학자들은 여기에서 멈추지 않고 더 기발한 아이디어를 구상하고 있다. 단순히 사진 속 어렴풋한 점의 모습이 아니라, 인공위성으로 찍은 지구의 모습처럼 외계행성 표면의 바다, 대륙, 구름의 모습까지 담아내는 아이디어를 고민하고 있다.

천문학자들은 이 말도 안되는 도전을 위해 태양계에서 가장 육중한 천체, 우리 태양 자체를 거대한 천연 망원경으로 활용하는 아이디어를 생각했다. 태양이 자신의 중력으로 주변 시공간을 미세하게 휘면서 주변을 지나가는 빛의 경로를 휘어버리고 한 초점에 모아서 더 증폭시키는 태양에 의한 중력 렌즈 효과를 활용하는 것이다.

태양의 중력에 의해 휘어진 빛줄기가 모이는 초점거리 주변에 작은 큐브샛 형태의 탐사선을 여러 대 띄워서 태양 주변 아인슈타인 고리의 왜곡된 이미지를 관측하는 계획이다. 이미지=The Aerospace Corporation

태양은 자체 중력으로 그 주변에 둥글게 왜곡된 허상, 아인슈타인의 고리 이미지를 형성할 수 있다. 우리는 정확하게 태양의 중력으로 인한 중력 렌즈 효과가 얼만큼 강한지, 주변 빛의 경로가 얼만큼 휘게 될지를 계산할 수 있다. 따라서 태양 주변에 그려지는 허상, 아인슈타인의 고리 이미지에 역으로 중력 렌즈 효과를 보정해주면, 왜곡되지 않은 실제 이미지를 얻을 수 있다! 태양 주변에 일그러진 왜곡된 이미지들을 재조합해서 온전한 실제 행성의 이미지를 선명하게 얻을 수 있다. 이러한 아이디어를 태양 중력 렌즈(SGL, Solar Gravity Lens)라고 한다.

육중한 은하가 자신의 주변 시공간을 왜곡하면서 그 뒤에 가려진 은하들의 이미지를 왜곡해서 주변에 둥근 고리 형태로 보여준다. 이러한 이미지를 아인슈타인의 고리라고 부른다. 사진=NASA/ESA/SLACS Survey team: A. Bolton(Harvard/Smithsonian), S. Burles(MIT), l. Koopmans(Kapteyn), T. Treu(UCSB), l. Moustakas(JPL/Caltech)

태양 정도의 중력 렌즈로 빛의 경로가 휘면 태양에서 대략 550AU 떨어진 지점에 빛이 한데 모이는 초점이 형성된다. 이 정도 거리에 수 미터 크기의 거대한 우주 망원경을 올릴 수 있다면 우리는 태양의 중력 렌즈로 그려지는 태양 주변의 아인슈타인 고리 이미지를 관측할 수 있다. 천문학자들의 시뮬레이션에 따르면 만약 태양에서 약 100광년 떨어진 지구형 외계행성을 관측한다면, 태양의 밝은 코로나가 있는 상황에서도 6개월 정도 관측하면 약 20km 수준의 해상도로 행성 표면을 담을 수 있다! 이는 도시 하나 하나를 구분해서 볼 수 있는 수준의 엄청난 해상도다! 말 그대로 외계행성 표면의 대륙과 바다, 밀림, 문명의 존재까지 선명한 인증샷으로 확인할 수 있게 된다!

만약 지구에서 약 4.3광년 떨어진 가장 가까운 항성계 프록시마 센타우리에서 기존의 가장 강력한 망원경으로 지구를 촬영한다면 이런 뿌연 점으로밖에 안 보인다. 하지만 태양 중력 렌즈 기술을 활용해서 이 별에서 지구를 관측한다면 지구 표면의 구름과 대륙의 모습까지 선명하게 담을 수 있다. 만약 프록시마 센타우리에 사는 외계인들이 자신의 별을 중력 렌즈로 활용하는 기술을 터득했다면 지구라는 행성에 고도로 발전된 생명체가 있다는 사실을 확실한 인증샷을 근거로 이미 파악하고 있을 것이다.

태양 중력 렌즈 기술을 활용한다면 프록시마 센타우리 별에서도 지구를 왼쪽의 뿌연 모습이 아닌 오른쪽의 선명한 해상도로 관측할 수 있다. 사진=Toth, V.T. & Turyshev, S.G.

물론 이 태양 중력 렌즈 망원경이 실현되기 위해서는 아직 해결해야 할 공학적인 과제가 많다. 효과적으로 태양 중력 렌즈를 활용하려면 명왕성까지 거리보다 10배 이상 더 먼 거리까지 여러 대의 우주 망원경을 보내야 한다. 이렇게 먼 거리까지 망원경을 날려 보내려면 태양풍의 압력으로 비행하는 솔라 세일이 그나마 현실적이다.

게다가 단순히 먼 곳까지 날리기만 하는 것이 아니라 태양에 대해서 우리가 관측하고자 하는 외계행성 방향의 정반대편에 이 우주 망원경들을 모아놓고 궤도를 유지하는 초고난이도의 편대 비행 컨트롤이 필요하다. 하지만 워낙 지구에서 먼 거리이기 때문에 빛의 속도로 명령을 주고 받아도 왕복 160시간의 지연이 생긴다. 따라서 지구와의 실시간 컨트롤은 의미가 없다. 그래서 천문학자들은 여러 대의 우주 망원경 편대가 자동으로 궤도를 조정하고 관측 데이터를 보낼 수 있는 AI 우주 망원경 편대 시스템 개발을 고민하고 있다.

하지만 이제 인류는 지구와 비슷한 조건의 외계행성의 ‘존재’를 확인하는 것을 넘어서, 실제로 그 행성이 어떤 모습인지 선명한 해상도의 실제 인증샷으로 확인하는 새로운 단계의 시대를 꿈꾸고 있다. 불과 반 세기 전만 해도 인류는 지구 밖 태양계 다른 행성들의 민낯을 제대로 담아본 적도 없었다. 그러나 이제 우리는 태양계를 넘어 명왕성, 그 이상의 소천체들의 실제 민낯까지 그 곁을 지나가며 포착하는 수준에 이르렀다.

물론 앞으로도 더 오랜 시간이 지나야만 이 어마어마한 아이디어를 실현할 예산과 기술을 확보할 수 있을 것이다. 하지만 언젠가 이것이 실현된다면, 우리는 그다음 꿈을 꿀 수 있게 되지 않을까? 단순히 뿌연 점, 선명한 고해상도 인증샷으로 외계행성을 바라보는 것을 넘어 실제 그 사진 속 세계로 여행을 떠나는 꿈을 말이다.

참고

https://exoplanets.nasa.gov/resources/1015/flower-power-nasa-reveals-spring-starshade-animation/

https://www.jpl.nasa.gov/habex/

https://www.jpl.nasa.gov/news/starshade-would-take-formation-flying-to-extremes

https://www.spiedigitallibrary.org/journals/Journal-of-Astronomical-Telescopes-Instruments-and-Systems/volume-7/issue-02/021201/Special-Section-on-Starshades-Overview-and-a-Dialogue/10.1117/1.JATIS.7.2.021201.full?SSO=1

https://www.planetary.org/articles/sharp-image-earth-like-exoplanet

https://aerospacecorp.medium.com/sending-a-fleet-of-spacecraft-to-find-habitable-planets-beyond-our-galaxy-297fbbceba36

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com