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집에서 외계행성 찾는 법: NASA TESS 실제 데이터로 시작하는 입문 가이드

게시일 · 우주 시뮬레이터

태양계 밖에서 알려진 6,000개가 넘는 행성 대부분은 직접 눈으로 본 적이 없습니다. 행성이 별 앞을 지날 때마다 별이 아주 조금씩 어두워지는 것을 알아채서 발견했습니다. 이것이 트랜싯 방법(통과 측광법)이고, 이 방법에 쓰이는 데이터는 공개되어 있습니다. 브라우저와 약간의 인내심만 있으면 전문 천문학자들이 쓰는 바로 그 측정 데이터에서 행성을 찾아볼 수 있습니다.

이 가이드는 행성 사냥꾼에 들어 있는 실제 별들을 가지고, 트랜싯으로 행성을 찾는 과정을 한 단계씩 설명합니다.

데이터는 어디서 오나: NASA의 TESS

2018년 4월에 발사된 NASA의 테스(TESS, 트랜싯 외계행성 탐색 위성)는 24°×96° 크기의 띠 모양 하늘을 한 번에 약 27일 동안(이를 "섹터"라고 합니다) 지켜본 뒤 다음 띠로 넘어갑니다. 선정된 수십만 개의 별에 대해 2분마다 밝기를 기록합니다. 그 결과 각 별마다 얻는 것이 광도 곡선, 곧 시간에 따른 밝기 그래프입니다.

이 데이터는 모두 NASA의 MAST 아카이브를 통해 일반에 공개됩니다. TESS는 TESS 관심 천체(TOI)라고 부르는 행성 후보를 수천 개 찾아냈고, 그중 수백 개가 지금까지 확인되었습니다. 훨씬 더 많은 신호가 누군가 들여다봐 주기를 기다리며 데이터 속에 잠들어 있습니다.

행성이 만드는 밝기 감소는 얼마나 클까?

행성이 별 앞을 지나면, 별의 원반 가운데 두 천체의 면적 비, 곧 (행성 반지름 / 별 반지름)²만큼을 가립니다. 이것으로 무엇을 찾아야 하는지 감을 잡을 수 있습니다.

행성 사냥꾼의 행성들은 이 범위를 모두 아우릅니다. 밝기 감소가 약 1%이고 22.6시간마다 되풀이되는 거대 행성 WASP-18 b부터, TESS가 처음으로 발표한 행성으로서 트랜싯 때 밝은 모항성을 0.03%도 안 되게 어둡게 하는 파이 멘사이 c(Pi Mensae c)까지 있습니다.

1단계: 되풀이되는 밝기 감소 찾기

실제 광도 곡선에는 잡음이 많습니다. 별은 깜박거리고, 우주선은 흔들리고, 모든 측정값에는 약간의 흩어짐이 있습니다. 밝기 감소 하나만으로는 아무것도 증명하지 못합니다. 찾아야 하는 것은 매번 같은 깊이, 같은 길이로 되풀이되는 감소입니다.

행성 사냥꾼에서는 보이는 감소마다 표시를 합니다. 두세 개를 표시하고 나면, 그 사이 간격은 어떤 한 수의 정수배가 되어야 합니다. 그것이 행성의 공전 주기입니다. 적색왜성을 도는 암석 행성 LHS 3844 b는 겨우 11시간에 한 바퀴를 돌기 때문에, 27일짜리 섹터 하나에 트랜싯이 수십 번 나타납니다.

2단계: 광도 곡선 접기

주기를 알면 광도 곡선을 한 주기 길이씩 잘라 서로 겹쳐 쌓을 수 있습니다. 이것을 위상 접기라고 합니다. 주기가 맞으면 모든 트랜싯이 한 줄로 정렬되어, 잡음에 묻혀 있던 약한 감소가 갑자기 뚜렷하게 드러납니다. 주기가 틀리면 감소가 번져서 흐려집니다. 원시 데이터에서 눈으로는 도저히 보이지 않을 만큼 얕은 행성을 천문학자들이 찾아내는 방법이 바로 이 접기입니다.

3단계: 감소 모양에서 행성 읽어 내기

접은 트랜싯은 많은 것을 알려 줍니다.

4단계: 별 두 개가 아닌지 확인하기

가장 흔한 가짜는 식쌍성입니다. 서로를 도는 두 별이 번갈아 서로의 빛을 가리는 것이죠. 의심해야 할 신호는 다음과 같습니다.

그래도 식쌍성이 늘 나쁜 소식인 것은 아닙니다. 2020년, 17세의 NASA 인턴 울프 쿠키어(Wolf Cukier)는 Planet Hunters TESS 데이터에서 바로 이런 쌍성, TOI-1338을 확인하다가 맞아떨어지지 않는 여분의 감소를 발견했습니다. 그것은 두 별을 함께 도는, 지구 크기의 약 6.9배인 행성 TOI-1338 b로 밝혀졌습니다. 행성 사냥꾼에서 같은 계를 직접 살펴볼 수 있습니다.

5단계: 이미 알려진 행성인가?

기뻐하기 전에, 그 별에 이미 TOI나 확인된 행성이 있는지 확인하세요. 행성 사냥꾼은 내가 찾은 주기를 NASA의 목록과 비교해 이 작업을 대신해 줍니다. 알려진 어떤 것과도 맞지 않는다면, 진짜 새로운 후보를 찾아낸 것일 수도 있습니다. Planet Hunters TESS 프로젝트(Zooniverse)의 자원봉사자들은 이런 후보를 많이 찾아냈고, 그중 일부는 행성으로 확인되었습니다.

진짜 탐색에 도전하기

행성 사냥꾼의 연습용 별 열 개는 이미 알려진 계라서 답을 맞춰 볼 수 있습니다. 준비가 되면 진짜 탐색 모드에서 NASA 아카이브로부터 가장 최신 TESS 섹터의 광도 곡선을 바로 불러옵니다. 그 안의 신호 대부분은 아직 아무도 살펴보지 않았습니다.

행성 사냥꾼을 열고 WASP-18 b부터 시작해, 얼마나 작은 감소까지 찾아낼 수 있는지 확인해 보세요.

자주 묻는 질문

아마추어도 정말 외계행성을 발견할 수 있나요? 네. TESS와 케플러의 데이터는 공개되어 있고, Planet Hunters TESS 같은 프로젝트의 자원봉사자들이 찾은 행성 후보가 나중에 전문 천문학자들에 의해 확인되기도 했습니다. 쌍성을 도는 행성 TOI-1338 b도 그중 하나입니다.

광도 곡선이란 무엇인가요? 시간에 따른 별의 밝기를 나타낸 그래프입니다. 행성이 별 앞을 지나가면 작고 되풀이되는 밝기 감소로 나타납니다.

TESS는 얼마나 작은 행성까지 찾을 수 있나요? TESS는 지구보다 작은 행성도 찾아냈습니다. 대부분 가까이 있는 작은 적색왜성 주위로, 이런 별에서는 지구 크기의 행성도 별빛을 더 큰 비율로 가리기 때문입니다.

왜 트랜싯 행성은 대부분 공전 주기가 짧나요? TESS가 한 영역의 하늘을 지켜보는 몇 주 동안 행성이 적어도 두 번, 가능하면 더 많이 별 앞을 지나가야 하기 때문입니다. 별 가까이 도는 행성은 자주 지나가지만, 공전 주기가 1년인 행성은 대개 감소가 기껏해야 한 번밖에 나타나지 않습니다.

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출처

트랜싯 깊이는 (행성 반지름 / 별 반지름)²이며, 지구 6,371 km, 목성 69,911 km, 태양 695,700 km를 사용했습니다. 행성 사냥꾼에 나오는 별들의 주기와 깊이는 각 별의 TESS 광도 곡선에서 측정된 값입니다.