NEID 분광기, 외계행성 탐색 가속화

나사가 외계행성(태양계 밖 행성) 발견 탐구를 확대하면서 도구 상자도 늘려가고 있다. 올여름 NEID(발음: 누이드, NOO-id)라는 새 도구가 가장 가깝고 가장 잘 연구된 별, 우리 태양에 대한 첫 데이터 묶음을 전달했다.

새 세계를 찾고 특성화하는 데 도움을 줄 NEID 분광기는 애리조나주 키트피크 국립천문대에서 하늘을 관측한다. 2021년 6월 본격적으로 외계행성 탐색을 시작했다. 그러나 NEID는 밤에 별들로부터 데이터를 수집하는 만큼 낮에도 태양으로부터 거의 같은 양의 데이터를 수집할 것이다. 왜냐하면 태양은 외계행성 모항성에서 발생하는 변화 유형을 가장 자세히 보여주며, 그 변화가 외계행성 탐지와 거주 가능성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

나사 고다드 우주비행센터(메릴랜드주 그린벨트) 팀이 NEID 설계, 개발, 시운전을 지원했다. 이 기기는 시선속도(radial velocity)를 측정한다: 행성의 중력 잡아당김으로 인한 항성 운동의 변화. 이 운동은 항성 빛을 약간 바꾼다. 시선속도는 행성 질량을 모항성 대비 측정해 준다.

“이 행성들에게 정말 중요한 것은 질량을 아는 것”이라고 NEID 개발팀 기기 과학자 마이클 맥엘웨인(Michael McElwain)은 말한다. “크기와 질량을 알면 외계행성의 두 가지 기본 매개변수를 얻는다.”

현재 통과 기법(transit technique)이 외계행성 발견과 상대적 크기 측정의 주된 방법이다. 과학자들은 궤도 행성이 우리 관점에서 항성 앞을 지나갈 때 근처 항성 빛의 주기적 변화를 사냥해 외계행성을 감지한다.

나사 케플러 우주망원경과 외계행성탐사위성(TESS)이 이미 통과 기법으로 수천 개 외계행성을 확인했다. NEID는 TESS 발견 행성들의 시선속도를 측정해 TESS 데이터를 보완할 것이다.

이 크기와 질량 측정치를 함께 사용하면 행성의 전체 밀도를 결정할 수 있어 행성 전체 구성에 대한 통찰을 준다. 특히 밀도가 높은 행성은 암석 구성을 가질 수 있다. 과학자들은 이 정보를 사용해 나사 제임스 웹 우주망원경의 추가 연구에 가장 적합한 행성을 결정할 것이다.

분광기는 키트피크의 WIYN 3.5미터 망원경에서 작동하며, 이전보다 약 3배 더 나은 정밀도를 달성할 수 있는 새로운 등급의 시선속도 기기에 속한다. 망원경이 항성을 향하면 빛을 모아 광섬유로 전달하고, 관측소 지하층에 특별히 지어진 열적으로 격리된 클린룸에 있는 분광기로 보낸다.

“분광기는 기본적으로 빛을 다양한 색, 즉 파장으로 나눈다”라고 NEID 기기 과학자 사라 로그스던(Sarah Logsdon)은 말한다. “개별 원자와 분자가 매우 특정 파장에서 서로 다른 방출 또는 흡수를 보이기 때문에 이는 우리에게 정말 유용하다. NEID로 우리는 행성이 항성을 잡아당길 때 이 흡수와 방출 선이 정지 위치에서 얼마나 이동하는지 측정할 수 있다.” 그 이동 크기로 천문학자들은 항성 질량 대비 행성 질량을 결정할 수 있다.

NEID 관측의 잠재적 과제 중 하나는 항성 자체가 변할 수 있다는 것이다. 뜨거운 플라즈마가 내부에서 올라와 식고 떨어지며, 전체 표면이 지진 진동으로 떤다. 전역 및 국지 자기장이 더 어둡고 차가운 별점(starspots)과 다른 가시적 특징을 만든다. 이 모든 활동으로 항성 활동과 외계행성 효과를 구별하기 어렵다.

그러나 태양은 항성 활동을 더 잘 이해하기 위한 기준선 역할을 한다. WIYN 망원경 빛을 받는 것 외에도 NEID는 천문대 지붕에 장착된 태양 망원경으로부터 빛을 받는다. 시간이 지나면 이 태양 데이터가 과학자들이 더 먼 항성 관측에서 유사한 사건을 식별하는 데 도움을 줄 것이다. 항성 활동 연구자들을 돕기 위해 처리된 후 태양 망원경의 모든 데이터는 공개된다.

“태양이 길을 가리킨다”라고 펜실베이니아 주립대 천문학·천체물리학 교수이자 NEID 수석연구자 슈브라트 마하데반(Suvrath Mahadevan)은 말한다. “수십 년간 키트피크의 상징적이자 이제 퇴역한 맥매스 피어스 망원경이 태양 연구의 최고 시설이었다. NEID는 이제 외계행성 과학을 태양 관측에, 태양을 별들에, 키트피크의 역사를 현재와 미래에 연결하는 다리다.”

팀은 2020년 1월 NEID 첫 빛 관측을 발표했다. NEID는 외계행성을 가진 첫 태양형 항성인 51 페가시를 관측했다. NEID는 이제 게스트 관측 프로그램을 통해 과학계에 개방되어 있다.