그래프 끝에서 늦게 드러난 작은 주기

외계행성 흔들림이 처음에 등장했을 때 많은 연구자들은 그것이 실제 행성 때문이라고 쉽게 확신하지 못했다. 별빛이 아주 잠깐 어두워지는 변화는 망원경 오차나 먼지 간섭, 대기 변화 같은 문제로도 나타날 수 있었기 때문이다. 하지만 같은 밝기 감소가 다시 나타나기 시작하면서 분위기는 조금씩 달라졌다. 연구팀은 이전 데이터를 다시 정렬했고, 시간 간격을 맞춰 같은 변화가 이어지는지 하나씩 검토하기 시작했다. 초기에는 우연처럼 보였던 미세한 변화가 장기 측정 안에서 계속 살아남기 시작한 것이다. 같은 간격의 작은 패턴이 다시 나타나던 순간, 보이지 않던 행성 하나가 처음 후보 목록에 올라오기 시작했다.

 

처음에는 별빛 변화가 별 의미 없는 오차처럼 보였다

외계행성을 찾는 일은 생각보다 단순하지 않았다. 지금은 수천 개의 외계행성이 발견되었다는 이야기가 익숙하게 들리지만, 초기 분석 자료에서는 아주 작은 밝기 변화 하나조차 쉽게 믿기 어려웠다. 별빛은 원래도 미세하게 흔들린다. 지구 대기의 영향이 섞이기도 하고, 장비 자체에서 작은 오차가 생기는 경우도 있다. 그래서 별 밝기가 아주 잠깐 약해졌다고 해서 곧바로 행성이라고 판단하지는 않았다. 초창기에 연구팀이 주목했던 것도 거대한 변화가 아니었다. 그래프 안에서 아주 미세하게 내려가는 짧은 패턴이었다. 문제는 그 변화가 너무 작았다는 점이다. 기록 화면을 확대하지 않으면 거의 구분되지 않을 정도였다. 당시 일부 연구자들은 망원경 센서 문제나 먼지 간섭 가능성을 먼저 의심했다고 한다. 나 역시 처음 외계행성 밝기 그래프를 보았을 때 의외라는 느낌이 강했다. 행성을 발견한다고 하면 거대한 천체 사진이 먼저 떠오르기 쉬운데, 실제 자료 안에서는 작은 밝기 선 하나가 아주 잠깐 아래로 내려가 있을 뿐이었다. 그 장면을 보고 나니 외계행성 탐사는 새로운 세계를 직접 보는 작업이라기보다, 거의 사라질 듯한 미세한 변화를 오래 붙잡고 있는 움직임처럼 느껴졌다.

같은 시간에 다시 나타나자 오해가 조금씩 무너지기 시작했다

분위기가 달라진 것은 같은 변화가 계속 등장하기 시작하면서부터였다. 어느 날 한 번 나타난 약한 변화라면 우연일 가능성이 남아 있다. 하지만 일정한 시간 간격을 두고 비슷한 밝기 감소가 이어지자 연구 방향이 달라졌다. 연구팀은 이전 자료를 다시 꺼내 시간 순서대로 겹쳐 보기 시작했다. 이 단계에서 가장 중요했던 것은 장기 측정이었다. 별 앞을 행성이 지나간다면 밝기 감소는 같은 주기로 이어질 가능성이 높다. 반대로 센서 오류나 주변 환경 문제라면 규칙성이 유지되기 어렵다. 결국 연구자들은 같은 별을 오랜 시간 다시 살펴보며 미세한 변화가 계속 살아남는지 검토하게 된다. 작은 밝기 그래프를 한동안 확대해 보며 정말 같은 간격으로 변화가 이어지는지 다시 바라보게 되는 순간도 있었다. NASA 케플러 우주망원경 역시 이런 방식으로 수많은 외계행성을 찾아냈다. 수십만 개의 별 밝기를 장기간 기록한 뒤 같은 간격 변화를 추적한 것이다. 처음에는 의미 없어 보였던 작은 변화가 장기 측정 안에서 살아남으면서 점점 외계행성 후보로 분류되기 시작했다.

행성은 보이지 않아도 별의 움직임은 남아 있었다

밝기 감소만으로 모든 외계행성을 찾을 수 있는 것은 아니었다. 일부 행성은 별 앞을 지나가지 않기 때문이다. 그래서 연구자들은 또 다른 방향으로 시선을 옮기게 된다. 이번에는 별 자체의 움직임이었다. 행성이 별 주변을 돌면 별 역시 아주 미세하게 흔들리게 된다. 행성의 중력이 별을 조금씩 끌어당기기 때문이다. 문제는 그 움직임 역시 극도로 작다는 부분이었다. 망원경 화면에서 눈으로 직접 변화를 확인하는 것은 거의 불가능한 수준에 가까웠다. 연구팀은 별빛 파장이 미세하게 늘어나거나 줄어드는 변화를 추적하기 시작했다. 도플러 효과를 이용한 시선속도법이다. 별이 우리 쪽으로 가까워질 때와 멀어질 때 빛 파장이 아주 조금 달라지는 현상이 이어지면, 주변에 행성이 존재할 가능성이 높아진다. 파장 변화 그래프를 한동안 다시 겹쳐 보며 정말 같은 움직임이 이어지는지 확인하게 되는 순간도 있었다. 주목해 볼 부분은 여기서도 직접 행성을 본 것이 아니라는 점이다. 남아 있는 것은 미세한 별빛 변화 정도였다. 하지만 장기간 이어지는 파장 변화는 계속 기록되었고, 연구자들은 그 안에서 보이지 않는 행성의 질량과 궤도를 다시 계산하게 된다.

직접 촬영이 가장 쉬울 것이라는 생각도 오래가지 못했다

많은 사람들은 외계행성을 사진으로 직접 찍으면 되는 것 아니냐고 생각한다. 하지만 실제 추적 데이터에서는 오히려 직접 촬영이 가장 어려운 방식 가운데 하나에 가까웠다. 문제는 별빛 자체가 압도적으로 밝다는 부분이었다. 행성은 스스로 빛을 내지 않고 별빛을 반사한다. 그런데 그 밝기 차이가 엄청나게 크다. 강한 조명 옆에 있는 작은 먼지를 찾는 상황과 비슷한 모습에 가까웠다. 그래서 최근 분석 자료에서는 별빛 자체를 가리는 장비까지 함께 사용된다. 별 주변 빛을 최대한 줄인 뒤 희미하게 남는 관측 흔적을 분리하는 방식이다. 그런데 여기서도 오해가 이어졌다. 행성처럼 보였던 빛이 실제로는 먼 배경 천체이거나 장비 반사 흔적으로 판정되는 경우도 생긴다. 희미하게 남은 빛 점 하나를 한동안 확대해 보면 정말 행성 흔적이 맞는지 다시 보게 되는 일도 발생한다. 외계행성 탐사는 새로운 미세한 변화를 발견하는 일만큼, 잘못된 관측 흔적을 끝없이 제거하는 작업에 가까워 보였다.

이제는 작은 밝기 변화 안에서 대기 성분까지 추적하기 시작했다

요즘은 행성을 찾는 데서 멈추지 않고 그 주변 대기까지 들여다보려는 관측도 늘어나고 있다. 행성이 별 앞을 지나갈 때 일부 별빛은 대기층을 통과한다. 연구팀은 그 단계에서 특정 파장이 흡수되는 변화를 분석해 대기 안에 어떤 기체가 존재하는지 추적한다. 메탄과 수증기, 이산화탄소 같은 성분은 특히 중요하게 다뤄진다. 일부 연구에서는 산소와 메탄이 동시에 존재하는 경우 생명 활동과 연결될 가능성도 함께 검토하고 있다. 다만 여기서도 연구자들은 쉽게 결론을 내리지 않는다. 작은 파장 변화 하나에도 여러 해석이 가능하기 때문이다. 실제로 동일한 자료를 다시 분석하면서 이전 결과가 수정되는 경우도 많다. 일부 연구팀은 서로 다른 관측 장비 자료를 다시 정렬하며 특정 파장 변화가 실제 대기 성분 때문인지 다시 검토하고 있다고 한다.

우리가 아직 보지 못한 밝기 변화는 얼마나 더 남아 있을까

최근에는 예전에 지나쳤던 외계행성 자료를 다시 꺼내 분석하는 작업도 점점 늘어나고 있다. 지금도 새로운 후보 행성은 계속 추가된다. 이전에 스쳐 지나갔던 작은 밝기 변화가 다시 확인되는 경우도 많다. 제임스 웹 우주망원경처럼 더 정밀한 장비가 등장하면서 이전에는 구분하지 못했던 대기 성분 변화까지 확인되는 사례도 이어진다. 하지만 동시에 이런 생각도 남는다. 지금까지 발견하지 못한 행성 가운데에는 변화 자체가 너무 약해서 아직 구분되지 않은 사례도 있는 것은 아닐까. 밝기 감소가 너무 작아서 오차로 지워졌거나, 주기가 너무 길어 아직 확인되지 못한 경우도 남아 있을 수 있다. 관측실 화면 어딘가에서는 지금도 아주 작은 밝기 변화 하나가 조용히 기록되고 있을지 모른다.