외계행성 최초 발견 30주년 노벨상 이야기

 

 

외계행성 최초 발견 30주년 노벨상 이야기

2025년 10월 6일, 인류가 태양계 너머의 세상에 처음으로 눈을 뜬 지 정확히 30주년이 되는 날입니다. 1995년 바로 그날, 스위스 제네바 대학 천문대의 두 과학자 미셸 마요르(Michel Mayor)와 디디에 쿠엘로(Didier Queloz)는 태양이 아닌 다른 별 주위를 도는 행성을 최초로 발견했다고 발표하며 우리의 우주관을 송두리째 바꿔 놓았습니다. 이 기념비적인 발견은 2019년 노벨 물리학상 수상이라는 영예로 이어졌으며, 지난 30년간 외계행성 탐사라는 새로운 천문학의 시대를 열었습니다. 오늘은 그 위대한 발견의 순간과 40년이 넘는 시간 동안 이어진 헌신, 그리고 인류의 미래를 바꿀 탐사의 여정을 깊이 있게 조명해 보고자 합니다.

인류의 우주관을 뒤흔든 발견, 그 서막

1970년대, 제네바 천문대의 선구적 도전

외계행성 발견의 역사는 1995년에 갑자기 시작된 것이 아닙니다. 그 씨앗은 이미 1970년대에 뿌려지고 있었습니다. 당시 제네바 대학의 과학자들은 별의 속도를 정밀하게 측정하여 잠재적으로 행성의 존재를 추론할 수 있는 기기 개발에 착수했습니다. 행성은 비록 별에 비해 질량이 매우 작지만, 그 중력으로 인해 모항성(host star)을 미세하게 끌어당깁니다. 이로 인해 별은 무게 중심을 기준으로 아주 약간의 왕복 운동, 즉 ‘떨림’ 현상을 보이게 됩니다. 이 떨림을 포착할 수만 있다면, 보이지 않는 행성의 존재를 증명할 수 있다는 것이었죠! 정말 대담한 발상이 아닐 수 없습니다.

시선속도법, 별의 미세한 떨림을 포착하다

이 아이디어를 구현한 것이 바로 시선속도법(Radial Velocity Method) 입니다. 별이 관측자를 향해 다가올 때는 빛의 파장이 짧아져 청색 편이(blueshift)를 보이고, 멀어질 때는 파장이 길어져 적색 편이(redshift)를 보입니다. 이 도플러 효과를 이용하여 별빛 스펙트럼의 미세한 변화를 측정하면, 별이 얼마나 빠른 속도로 우리에게서 가까워지고 멀어지는지를 계산할 수 있습니다. 수십억 킬로미터 떨어진 별의 속도를 초속 수 미터 단위의 정밀도로 측정해야 하는, 그야말로 극한의 정밀도를 요구하는 기술입니다.

새로운 분광기, 새로운 가능성을 열다

1980년대 후반, 미셸 마요르와 광학 엔지니어 앙드레 바란(André Baranne)은 이 도전을 현실로 만들기 위해 새로운 분광기 설계를 시작했습니다. 이 기기는 프랑스 남부 오트프로방스 천문대의 직경 2미터 망원경에 설치될 예정이었습니다. 수년간의 노력 끝에 개발된 분광기는 예상을 뛰어넘는 성능을 보여주었고, 목성급 질량을 가진 행성을 탐지할 수 있는 수준의 정밀도를 확보하는 데 성공했습니다. 이제 인류는 외계행성을 사냥할 강력한 무기를 손에 쥔 셈이었습니다.

51 페가시 b, 역사적인 첫걸음

42일의 밤, 142개의 별을 향한 집념

1993년 10월, 미셸 마요르는 마침내 외계행성 탐사를 위한 망원경 관측 시간을 신청했습니다. 두 달에 한 번, 일주일씩, 연간 총 42일의 밤! 천문학계의 치열한 경쟁 속에서 관측 시간을 확보하는 것은 결코 쉽지 않았지만, 그의 제안은 받아들여졌습니다. 당시 그의 박사과정 학생이었던 디디에 쿠엘로가 합류했고, 두 천문학자는 우리 태양과 유사한 142개의 별을 집중적으로 관측하기 시작했습니다. 스위스 천문학자들의 위대한 여정이 시작된 것입니다.

"주기가 4.2일밖에 안 됩니다. 어떻게 생각하십니까?"

1994년 말, 하와이 천문학 연구소를 방문 중이던 미셸 마요르는 디디에 쿠엘로로부터 한 통의 팩스를 받았습니다. 그 내용은 충격적이었습니다. "한 별에서 주기적인 변화가 나타나는데, 그 주기가 고작 4.2일입니다. 어떻게 생각하십니까?" 4.2일이라는 극단적으로 짧은 공전 주기라니요?! 이 신호가 행성에 의한 것이라면, 그 행성의 질량은 목성의 절반 정도에 해당했습니다. 하지만 당시의 행성 형성 이론에 따르면, 목성과 같은 거대 가스 행성은 별에서 멀리 떨어진 곳에서 수십 년 이상의 주기로 공전해야만 했습니다. 이처럼 별에 가까이 붙어 있는 거대 행성은 존재할 수 없다고 여겨졌습니다.

신중함, 그리고 위대한 확신

미셸 마요르는 신중했습니다. 1943년 이래로 외계행성 발견을 주장했다가 오류로 판명된 사례가 너무나도 많았기 때문입니다. 그는 과학자로서 할 수 있는 가장 합리적인 판단을 내렸습니다. 바로 모든 다른 해석의 가능성을 배제하기 위해 새로운 관측을 수행하는 것이었습니다. 1995년 7월, 문제의 별, 페가수스자리 51번 별(51 Pegasi)이 다시 남프랑스 하늘에 떠올랐습니다. 새로운 측정 데이터는 놀랍게도 4.2일 주기의 행성 가설을 강력하게 뒷받침했습니다. 그해 프로방스의 뜨거운 여름, 두 천문학자와 그들의 가족은 샴페인을 터뜨리며 인류 역사의 새로운 장이 열렸음을 자축했습니다. 이 발견은 세계적인 과학 저널 '네이처(Nature)'에 실렸고, 1995년 10월 6일 피렌체에서 열린 학회에서 공식적으로 발표되었습니다.

발견 이후 30년, 스위스 천문학의 쾌거와 미래

HARPS에서 ESPRESSO까지, 정밀도의 한계를 넘어서

51 페가시 b의 발견은 스위스 제네바 대학을 외계행성 연구의 세계적인 중심지로 만들었습니다. 이들은 북반구 관측에 이어 1998년, 칠레에 1.2미터 EULER 망원경을 설치하며 남반구 탐사를 시작했습니다. 특히 2003년, 유럽남방천문대(ESO) 라 시야 천문대의 3.6미터 망원경에 설치된 새로운 분광기 HARPS(High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) 는 외계행성 사냥의 역사를 새로 썼습니다. 그리고 2018년, 파라날 천문대에는 세계 최고 정밀도의 분광기 ESPRESSO(Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) 가 설치되었습니다. 이 장비는 무려 초속 10cm 의 시선속도 변화를 감지할 수 있는데, 이는 사람이 걷는 속도에 불과합니다. 이 정도의 정밀도라면 지구와 비슷한 질량의 암석 행성까지도 발견할 수 있습니다.

CHEOPS 우주망원경과 PlanetS 연구센터

1995년 발견이 불러온 흥분은 스위스 국립과학재단의 지원으로 이어졌습니다. 2014년, 제네바 대학과 베른 대학은 행성 연구를 전담하는 국가 연구 역량 센터(NCCR) 'PlanetS' 를 설립했습니다. 이는 2019년에 발사된 CHEOPS(CHaracterising ExOPlanet Satellite) 우주망원경 프로젝트에 스위스의 역량을 결집하는 기폭제가 되었습니다. 이처럼 하나의 위대한 발견은 국가 전체의 과학 기술 역량을 한 단계 끌어올리는 원동력이 되었습니다.

다음 목표: 제2의 지구, 그리고 생명의 흔적

외계행성 탐사의 경쟁은 이제 단순히 행성을 찾는 것을 넘어, 그곳에 생명체가 존재할 수 있는지 탐구하는 단계로 나아가고 있습니다. 제네바 천문대는 가장 가까운 외계행성인 프록시마 센타우리 b의 빛을 직접 관측할 RISTRETTO 와 같은 차세대 기기를 이미 개발하고 있습니다. 더 나아가 칠레 아타카마 사막에 건설 중인 직경 39미터의 거대 망원경(ELT) 프로젝트에도 참여하며 미래를 준비하고 있습니다. 최종 목표는 명확합니다. 외계행성의 대기 성분을 분석하여 생명체의 존재를 암시하는 '생체 특징(biosignature)' 을 찾는 것입니다. 이를 위해 제네바 대학은 '우주 생명 센터(CVU)'를 설립하고 천문학자뿐만 아니라 지질학자, 화학자, 생물학자 등 다양한 분야의 전문가들과 학제 간 연구를 수행하고 있습니다.

노벨상, 40년 헌신에 대한 최고의 찬사

2019년 노벨 물리학상, 그 영광의 순간

2019년, 미셸 마요르와 디디에 쿠엘로는 마침내 그들의 위대한 업적을 인정받아 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이는 1995년의 단 한 번의 발견에 대한 상이 아니었습니다. 1970년대부터 시작된 40년 이상의 끈질긴 연구와 기기 개발, 그리고 수많은 밤을 새운 관측에 대한 최고의 찬사였습니다. 그들의 발견은 외계행성을 공상과학의 영역에서 엄연한 천체물리학의 한 분야로 끌어내렸고, 우주에 대한 인류의 근본적인 관점을 바꾸어 놓았습니다.

30년 전, 단 하나의 외계행성 발견으로 시작된 여정은 오늘날 5,000개가 훌쩍 넘는 외계행성 목록으로 이어졌습니다. 인류는 이제 태양계가 우주에서 특별한 존재가 아닐 수도 있다는 사실을 받아들이고 있습니다. 그리고 새로운 질문을 던지기 시작했습니다. 과연 우리는 이 광활한 우주에 홀로 존재하는 것일까요?! 그 답을 찾기 위한 인류의 위대한 탐사는 지금 이 순간에도 계속되고 있습니다.