1. 시작: 우리는 왜 '보이지 않는 행성'을 볼 수 있게 되었나

외계행성(exoplanet)을 직접 사진으로 찍는 일은 여전히 극히 어렵습니다.
이유는 단순합니다. 행성은 스스로 빛나지 않고, 옆에 있는 별은 너무 밝습니다.

태양–지구 시스템을 예로 들어 보죠.
가시광선 영역에서 태양은 지구보다 약 100억 배(10¹⁰) 밝습니다.
적외선으로 가도 대비는 100만 배 수준입니다.
게다가 10파섹(약 32.6광년) 거리에서 보면 지구와 태양의 각거리는 겨우 0.1초각입니다.

서울에서 부산에 놓인 서치라이트 바로 옆, 1mm 떨어진 곳에 붙은 반딧불이를 찍으라는 요구와 비슷합니다.
그래서 천문학자들은 발상을 바꿨습니다.

이 글은 이 두 기법을 물리식 수준까지 뜯어보되,
실제 망원경이 어떤 잡음과 싸우는지, 왜 둘을 반드시 함께 써야 하는지를 다룹니다.

2. 트랜싯 측광법: 별빛의 0.01%를 세는 기술

2-1. 기본 기하학

행성이 우리 시선 방향에서 별 앞을 가로지르면, 별의 원반 일부가 가려져 밝기가 떨어집니다.
행성을 완전히 불투명한 원반으로 가정하면, 밝기 감소 비율(트랜싯 깊이, δ)은 면적비입니다.

δ = (R_p / R_*)²

목성-태양 :  (69,911 / 696,340)² ≈ 0.010   → 약 1.0 %
지구-태양 :  ( 6,371 / 696,340)² ≈ 8.4e-5 → 약 0.0084 % (84 ppm)

여기서 감이 옵니다.
목성급 행성은 지상 망원경으로도 잡히지만, 지구급 행성은 지구 대기의 흔들림을 뚫을 수 없습니다.
케플러(Kepler)와 TESS 같은 우주망원경이 필요한 이유가 바로 이 84 ppm이라는 숫자입니다.

2-2. 확률이라는 잔인한 필터

트랜싯은 궤도면이 우리 시선과 거의 나란해야만 관측됩니다.
원궤도 근사에서 트랜싯이 일어날 기하학적 확률은 대략 이렇습니다.

P_transit ≈ (R_* + R_p) / a  ≈ R_* / a

뜨거운 목성 (a = 0.05 AU) : ≈ 0.0046 / 0.05  ≈ 9 %
지구 (a = 1 AU)            : ≈ 0.0046 / 1     ≈ 0.47 %

즉 태양 같은 별 200개를 봐야 그중 1개꼴로만 '지구'가 앞을 지나갑니다.
케플러 우주망원경이 백조자리 한 구역의 약 15만 개 별을 4년간 동시에 노려본 이유가 여기 있습니다.
확률이 낮으면, 표본을 늘리면 됩니다. 이것이 통계적 사냥의 논리입니다.

2-3. 광도곡선에서 읽어내는 정보

실제 광도곡선의 바닥은 평평하지 않고 U자로 살짝 휩니다.
별 원반은 중심이 밝고 가장자리가 어둡기 때문입니다(주연감광).
행성이 중심을 지날 때 더 깊게 가리므로 곡선 중앙이 더 내려갑니다.
이 미세한 모양까지 모델링해야 반지름 오차 1% 이내가 나옵니다.

2-4. 케플러, TESS, 그리고 CHEOPS·PLATO

케플러의 광도 정밀도는 30분 적분 기준 약 20~30 ppm 수준이었습니다.
지구 트랜싯 신호(84 ppm)를 단발로는 겨우 잡을까 말까 하지만,
4년 동안 같은 주기로 반복되는 신호를 겹쳐 쌓으면(phase folding) 신호대잡음비가 √N배 올라갑니다.
천문학에서 '반복'은 가장 저렴하고 가장 강력한 증폭기입니다.

2-5. 트랜싯의 함정: 가짜 신호(False Positive)

밝기가 주기적으로 떨어진다고 모두 행성은 아닙니다.
가장 악명 높은 사칭범들은 다음과 같습니다.

구별 방법은 정교합니다.
· 2차 식(secondary eclipse)의 유무와 깊이
· 홀·짝 트랜싯의 깊이 차이(같아야 행성)
· 광중심 이동(centroid shift) 분석 → 밝기 변화가 정말 표적 별에서 오는가
· 고해상도 이미징으로 근접 동반성 배제
그리고 결정적으로 시선속도 후속 관측입니다.

3. 시선속도법: 별의 색으로 무게를 잰다

3-1. 공통질량중심이라는 물리

흔히 "행성이 별을 돈다"고 말하지만 엄밀히는 틀립니다.
별과 행성은 공통질량중심(barycenter)을 함께 돕니다.

태양–목성계의 질량중심은 태양 중심에서 약 74만 km 떨어져 있는데,
이는 태양 반지름(69.6만 km)보다 바깥입니다.
즉 태양은 12년 주기로 자기 표면 밖의 한 점을 중심으로 비틀거리고 있습니다.

3-2. 도플러 효과와 시선속도 진폭 K

별이 우리 쪽으로 다가오면 스펙트럼선이 청색으로, 멀어지면 적색으로 밀립니다.

Δλ / λ = v_r / c

원궤도에서 별의 시선속도 반진폭:

K = ( 2πG / P )^(1/3) · ( M_p sin i ) / ( M_* + M_p )^(2/3)

일반형(이심률 e 포함):
K = ( 2πG / P )^(1/3) · M_p sin i / [ (M_*+M_p)^(2/3) · √(1-e²) ]

여기서 9 cm/s라는 숫자를 기억해 두세요.
사람 걷는 속도의 30분의 1입니다.
수십 광년 밖 별이 걷는 속도보다 느리게 흔들리는 걸 감지해야 지구 쌍둥이를 찾습니다.

3-3. sin i 라는 영원한 꼬리표

시선속도법이 측정하는 것은 M_p · sin i 입니다.
궤도 경사각 i를 모르면 진짜 질량을 알 수 없고, 측정값은 최소질량이 됩니다.

i = 90°(정면 통과)면 sin i = 1로 참질량이지만,
i = 30°면 실제 질량은 측정값의 2배입니다.
통계적으로는 무작위 경사각 평균 ⟨sin i⟩ ≈ 0.79이라 큰 오차는 아니지만, 개별 천체에는 치명적입니다.

그래서 트랜싯이 확인된 행성은 특별합니다.
트랜싯이 일어났다는 사실 자체가 i ≈ 90°를 보장하므로, sin i ≈ 1이 되어 참질량이 확정됩니다.

3-4. 분광기의 진화: 10 m/s에서 10 cm/s까지

정밀도를 올리는 핵심은 세 가지입니다.

3-5. 최대의 적: 항성 활동 잡음

이제 기계는 10 cm/s를 잴 수 있습니다. 그런데도 지구 쌍둥이 검출이 어려운 이유는 별 자신입니다.

실제로 Alpha Centauri Bb(2012 발표, 1.1 m/s 신호)는
이후 데이터 처리 아티팩트로 판명되어 철회되었습니다.
물리적 실재와 통계적 유령을 가르는 일이 이 분야의 절반입니다.

대응책으로는 선 프로파일 비대칭 지표(bisector span), Ca II H&K 활동 지수(log R'_HK),
가우시안 프로세스 회귀를 이용한 잡음 모델링, 그리고 파장 의존성 검사가 쓰입니다.
행성 신호는 모든 파장에서 동일한 속도를 주지만, 흑점 신호는 파장에 따라 달라집니다.

4. 두 기법의 결혼: 밀도, 그리고 세계의 정체

트랜싯은 반지름을, 시선속도는 질량을 줍니다.
둘을 곱하고 나누면 평균 밀도가 나옵니다.

ρ = M / ( (4/3) π R³ )

지구      : 5.51 g/cm³   (철+규산염)
해왕성    : 1.64 g/cm³   (얼음+가스 외피)
목성      : 1.33 g/cm³   (수소/헬륨)
토성      : 0.69 g/cm³   (물에 뜬다)
KELT-11b  : 0.09 g/cm³   (스티로폼급 부푼 행성)

밀도는 곧 내부 조성의 지문입니다.
반지름 1.5 R⊕를 경계로 행성 분포가 확연히 갈리는데,
그 아래는 밀도가 높은 암석형 슈퍼지구, 그 위는 수소 외피를 걸친 미니 해왕성입니다.

4-1. 반지름 계곡(Radius Valley)

2017년 Fulton 등이 케플러 표본에서 발견한 통계 구조입니다.
행성 반지름 히스토그램에서 1.5~2.0 R⊕ 구간에 뚜렷한 골짜기가 있습니다.

유력한 설명은 두 가지입니다.

이 논쟁은 트랜싯(반지름)과 시선속도(질량)를 동시에 가진 표본이 늘어나면서 점점 정밀해지고 있습니다.

4-2. 트랜싯 분광: 대기를 읽는 보너스

트랜싯의 진짜 선물은 대기 투과 분광(transmission spectroscopy)입니다.

행성이 별 앞을 지날 때, 별빛 일부가 행성 대기 가장자리를 통과합니다.
대기 분자가 흡수하는 파장에서는 행성이 조금 더 커 보이고, 트랜싯이 살짝 더 깊어집니다.
파장별 트랜싯 깊이를 그리면 대기 조성 스펙트럼이 됩니다.

대기 스케일 하이트:  H = k T / (μ g)
신호 크기 ≈ 2 R_p H / R_*²

→ 뜨겁고(T↑), 가볍고(μ↓), 중력이 약한(g↓) 대기일수록 신호가 크다

제임스 웹 우주망원경(JWST)은 이 기법으로 WASP-39b에서 이산화탄소(CO₂)를 명확히 검출했고,
이산화황(SO₂)을 통해 광화학 반응의 존재까지 확인했습니다.
K2-18b의 대기 논쟁 역시 같은 원리 위에 서 있습니다.

5. 역사의 결정적 장면들

2020년대 중반 기준 확인된 외계행성은 약 5,900개 이상이며,
그중 트랜싯법이 약 74%, 시선속도법이 약 19%를 차지합니다.
나머지는 미시중력렌즈, 직접촬영, 천체측성, 타이밍법입니다.

6. 두 기법의 비교표

정리하면 이렇습니다.

7. M왜성 전략: 작은 별이 유리한 이유

거주가능영역(habitable zone)에서 지구 크기 행성을 찾으려면 태양형 별은 매우 불리합니다.
신호는 작고(84 ppm, 9 cm/s), 주기는 1년이라 확인에 수년이 걸립니다.

반면 질량 0.15 M☉의 M왜성을 보면 상황이 뒤집힙니다.

별 반지름   R_* ≈ 0.18 R☉
트랜싯 깊이 δ = (6371 / 125,000)² ≈ 2.6e-3 → 0.26 % (약 30배 증폭)
거주가능영역 a ≈ 0.07 AU → 주기 약 15일
시선속도 K ≈ 1~2 m/s (약 15배 증폭)

TRAPPIST-1, 프록시마 b, LHS 1140b 같은 스타 표적들이 모두 M왜성인 이유입니다.
단, 대가도 큽니다.

· M왜성은 강한 플레어를 자주 일으켜 대기를 벗겨낼 수 있고
· 가까운 궤도는 조석 고정(tidal locking)을 유발해 한쪽은 영원한 낮, 반대쪽은 영원한 밤이며
· 형성기에 훨씬 오래 밝았던 시기가 있어 초기 물이 날아갔을 가능성이 큽니다.

검출이 쉽다는 것과 생명이 살기 좋다는 것은 다른 이야기입니다.

8. 보조 기법: TTV와 로시터–맥로플린 효과

8-1. 트랜싯 타이밍 변화(TTV)

행성이 하나뿐이라면 트랜싯은 시계처럼 정확히 반복됩니다.
그런데 다른 행성이 중력으로 끌어당기면 트랜싯 시각이 수분~수십분 앞당겨지거나 늦춰집니다.

이 변동 패턴을 역산하면 시선속도 없이도 질량을 구할 수 있습니다.
특히 궤도 공명(2:1, 3:2 등) 상태에서 TTV 진폭이 크게 증폭됩니다.
TRAPPIST-1 일곱 행성의 질량이 바로 이 방법으로 정밀화되었습니다.

8-2. 로시터–맥로플린 효과

별은 자전합니다. 원반의 한쪽은 우리 쪽으로 다가오고(청색), 반대쪽은 멀어집니다(적색).
행성이 청색 쪽을 가리면 남은 빛은 상대적으로 적색 쪽이 우세해져, 가짜 시선속도 신호가 생깁니다.

이 신호의 모양을 분석하면 행성 궤도면과 별 자전축의 어긋난 각도를 측정할 수 있습니다.
놀랍게도 상당수 뜨거운 목성이 극궤도나 역행궤도를 돕니다.
이는 행성이 원래 자리에서 태어나 조용히 안으로 이동한 게 아니라,
다른 천체와의 중력 산란이나 코자이–리도프 메커니즘으로 던져졌음을 시사합니다.

9. 아마추어와 시민과학도 참여한다

의외로 이 분야는 진입 장벽이 완전히 닫혀 있지 않습니다.

구경 20~35cm급 망원경과 냉각 CMOS 카메라만 있어도
1% 이상 깊이의 뜨거운 목성 트랜싯은 충분히 재현 가능합니다.
실제로 ExoClock, Unistellar, AAVSO 같은 프로젝트는 아마추어 관측자의 광도 데이터를 모아
트랜싯 시각(ephemeris)이 어긋나는 것을 갱신합니다.
이 데이터는 JWST 관측 스케줄 정확도에 직접 기여합니다.

필요한 처리 과정은 정직합니다.

천체 데이터 해석이나 파이썬 기반 광도곡선 분석처럼 진입 초기에 막히는 지점은
재능넷 같은 재능 공유 플랫폼에서 데이터 분석·천체사진 처리 멘토링을 찾아
실전 파이프라인을 익히는 것도 현실적인 방법입니다.
천문학은 이제 망원경만큼이나 코드와 통계의 학문이기 때문입니다.

10. 다음 10년: 9 cm/s와 지구 쌍둥이

남은 목표는 명확합니다.
태양형 별의 거주가능영역에 있는 지구 크기 행성을 찾고, 그 대기를 읽는 것.

이를 위해 준비 중인 무기들은 다음과 같습니다.

한 가지 분명히 해둘 것은,
트랜싯과 시선속도가 구식이 되지는 않는다는 점입니다.
직접촬영이 아무리 발전해도 질량과 밀도를 주는 것은 여전히 이 두 기법이며,
어떤 행성을 직접 찍을지 표적을 골라주는 것도 이들입니다.

11. 마무리: 그림자와 떨림이 알려준 것

1995년 이전까지 인류가 아는 행성계는 단 하나였습니다.
그리고 우리는 그 하나를 표준이라고 믿었습니다.
안쪽에 암석형, 바깥에 가스 거인, 원에 가까운 궤도, 나란한 궤도면.

51 Peg b가 그 믿음을 4.23일 만에 무너뜨렸습니다.
이후 우리는 뜨거운 목성, 역행 궤도, 슈퍼지구, 미니 해왕성,
네 개의 별을 도는 행성, 별에서 떨어져 나와 홀로 떠도는 행성까지 만났습니다.

이 모든 발견은 화려한 사진 한 장이 아니라,
0.01%의 밝기 하강과 초속 몇 미터의 떨림이라는
지극히 소박한 두 개의 숫자에서 시작되었습니다.

천문학의 매력은 여기 있습니다.
직접 볼 수 없어도, 충분히 정교하게 측정하면 우주는 결국 답을 내줍니다.
그림자와 떨림 — 이 두 단어가 지난 30년간 인류의 우주관을 다시 썼습니다.

다음에 밤하늘을 볼 기회가 있다면 한 번 떠올려 보세요.
눈에 보이는 저 별들 중 상당수는, 지금 이 순간에도
보이지 않는 동반자에게 끌려 아주 조용히 흔들리고 있습니다.