외계행성에서 나온 전파 방출을 행성에 직접 귀속한 첫 사례

AI 요약

지구에서 약 63광년 떨어진 베타 픽토리스(Beta Pictoris)는 태양계보다 훨씬 젊은 행성계입니다. 연구진은 이 계의 거대 가스행성 베타 픽토리스 b에서 나온 것으로 보이는 전파 방출을 남아프리카공화국의 MeerKAT 전파망원경으로 관측했다고 보고했습니다. 논문은 아직 동료 심사를 거치지 않았습니다. 연구진은 신호가 외계 문명의 전파가 아니라 행성의 강한 자기 활동에서 비롯됐다고 설명합니다.

행성에서 나온 전파를 가려내다

자기권에 갇힌 하전 입자는 행성이 자전하면서 가속되고, 그 과정에서 전파를 방출할 수 있습니다. 태양계에서도 자기권을 지닌 행성의 전파 방출을 관측합니다. 목성은 방출 빔이 지구를 향할 때 태양보다 밝은 전파원이 되기도 합니다. 외계행성에서는 항성도 전파를 내기 때문에 행성의 방출만 구분하기가 어렵습니다.

연구진은 베타 픽토리스 b가 별과 떨어져 있는 모습을 직접 촬영한 행성이라는 점을 이용했습니다. Reddit에 연구진으로 참여한 천문학자가 설명한 과정에 따르면, 첫 시험 관측에서 베타 픽토리스 계의 전파 방출을 포착했고, 뒤이은 관측에서 약 8시간 주기로 반복되는 신호를 확인했습니다. 이 주기는 행성의 자전 주기와 비슷합니다. 방출에는 편광도 나타났습니다. 연구진은 이런 특성이 자기권에서 나오는 전파와 일치한다고 봤습니다. 관측 주파수는 1~3GHz였으며, MeerKAT은 3GHz보다 높은 주파수를 관측하지 못한다고 연구진은 덧붙였습니다.

위치 측정으로 행성의 자기장을 추정

주기와 편광만으로는 전파원이 행성인지 항성인지 확정하기 어렵습니다. 제1저자 케빈 오티스 세바요스(Kevin Ortiz Ceballos)는 안테나 사이에서 신호가 도착하는 미세한 시간 차이를 이용해 전파원의 위치를 계산했습니다. 연구진은 Gaia 위성 자료와 관측 영역에 있는 위치가 정밀하게 알려진 퀘이사(quasar) 등으로 보정했고, 방출 위치가 항성이 아니라 베타 픽토리스 b와 일치한다고 보고했습니다.

연구진은 행성의 질량이 목성의 약 10배라는 기존 지식과 전파 관측을 바탕으로 자기장 세기를 추산했습니다. 결과는 1,200가우스 초과로, 약 10가우스인 목성보다 훨씬 강합니다. 연구진은 이 값이 태양계 행성에서 관측한 자기장과 질량의 관계를 확장한 예측에 부합한다고 설명합니다. 더 긴 관측으로 주기성을 확인하려면 MeerKAT 관측 시간 50시간 이상을 확보해야 한다고 연구진은 밝혔습니다.

행성 자기장은 내부의 움직임과 항성풍으로부터 대기를 얼마나 보호하는지 살피는 단서가 됩니다. 이번 관측은 외계행성 자기권을 연구할 새로운 관측 방법의 가능성을 보여주지만, 논문 심사와 추가 관측을 거쳐야 결과를 더 확인할 수 있습니다.

Reddit 반응

• @u/Andromeda321 — 천문학자입니다. 이 논문의 세 번째 저자이자 제1저자 박사과정 학생의 공동 지도교수입니다. 요약하면, 아직 외계인은 아니지만 정말 멋진 발견입니다. 먼저, 이 논문은 아직 발표되지 않았습니다. 학술지에 제출했고 지금 동료 심사를 받고 있습니다. 사전 공개 논문(preprint)은 arXiv에 올라왔고, 링크 기사처럼 언론 보도가 나오기 시작해서 제1저자의 허락을 받고 여기에 글을 씁니다. 태양계에서는 자기권을 지닌 모든 행성에서 전파 방출을 관측할 수 있습니다. 가장 유명한 사례는 목성입니다. 자기장에 갇힌 입자가 전파를 내고, 그 빔이 지구를 향하면 목성은 태양보다 전파 밝기가 높습니다. 이런 방출을 외계행성에서 찾으려는 연구가 있었고 가능성 있는 사례도 나왔지만, 별과 행성 중 어디에서 나온 방출인지 구분하기가 어려워 확정적인 결과는 없었습니다. 별도 전파를 강하게 내기 때문입니다. 직접 촬영한 외계행성계를 대상으로 하면 고해상도 전파망원경으로 방출 위치를 짚을 수 있습니다. 몇 년 전에는 VLA로 이런 관측을 했지만 아무것도 검출하지 못했습니다. 북반구에서는 하늘 전체를 볼 수 없고, 남반구에는 직접 촬영한 행성계가 있습니다. MeerKAT에 관측 시간을 신청해 허가받기까지 시간이 걸렸고, 베타 픽토리스를 관측했습니다. 첫 시험 관측에서 베타 픽토리스 계의 방출을 검출했습니다. 더 긴 관측에서는 약 8시간 주기로 반복되는 신호를 확인했는데, 베타 픽토리스 b의 자전 주기도 그 정도입니다. 방출은 편광이 강했고, 태양계 자기권에서 보는 현상과 같았습니다. 따라서 외계인 신호라고 볼 이유가 없습니다. 1~3GHz에서 방출이 검출됐습니다. 안타깝게도 MeerKAT은 3GHz보다 높은 주파수를 관측할 수 없습니다. 제 학생인 케빈 오티스 세바요스는 이 방출이 별이 아니라 행성에서 나왔음을 확실히 보이는 훌륭한 작업을 했습니다. 안테나 사이의 신호 도착 시간 차이를 이용하는 천체측량(astrometry)으로 전파원 위치를 좁혔습니다. Gaia 위성과 관측 영역에 있는 위치가 매우 정확하게 알려진 밝은 퀘이사 등을 활용해 보정한 결과, 위치는 별이 아니라 베타 픽토리스 b와 일치했습니다. 잘 연구된 행성이라 질량이 목성의 약 10배라는 사실을 알고 있습니다. 전파 관측으로 자기장을 계산하니 1,200가우스가 넘었습니다. 목성은 약 10가우스입니다. 태양계에서 관측한 행성들의 값과 비교하면 규모가 잘 맞습니다. 다음 단계는 동료 심사를 통과하고, 주기성을 확인하기 위해 요청한 50시간 이상의 MeerKAT 관측 시간을 얻는 것입니다. 외계행성의 자기권은 형성 과정에 관해 알려주고, 행성의 거주 가능성과도 관련이 있습니다. 지구 자기권은 해로운 태양 플레어 등으로부터 생명을 보호합니다. 이번이 새로운 연구 분야의 시작이 되길 기대합니다. 덧붙이자면, 케빈은 제가 Reddit에 올린 ‘천문학자가 되는 법’ 글을 읽고 제 학생이 됐습니다. 푸에르토리코에서 자라며 그 길을 알기 어려웠지만, 글에서 권한 일을 하나씩 해 하버드 천문학 대학원에 진학했고 그 과정에서 저를 만났습니다. 정말 멋진 일입니다.
  • @u/AdventurousText9311 — 과학 정기간행물 편집자이자 과학 커뮤니케이션 코치로서 말씀드리자면, 정말 놀라울 만큼 글을 잘 쓰시네요. 외계행성 전파를 검출하는 일만큼이나 명료하고 짜임새 있으며 개성이 살아 있는 글을 자주 보지는 못합니다. 학생의 멋진 이야기도 나눠주셔서 감사합니다. 앞으로 어떤 일을 해낼지 기대됩니다.
• @u/scrimspirals — 외계인은 아니지만 꽤 큰 발견입니다. 외계행성에서 나온 전파 방출을 직접 검출하면 자기장을 연구하고, 행성이 대기를 붙잡아 둘 수 있는지 살펴볼 새로운 방법이 생깁니다.
• @u/Oryx — 방출(emissions)은 신호(signals)와 다릅니다. 신호라는 단어는 전송을 뜻합니다. 이건 방출입니다.
• @u/Emil131522 — 제가 흥미롭게 보는 점은 검출 자체보다 이 발견으로 가능해지는 연구입니다. 전파망원경으로 외계행성의 자기장을 살필 수 있고, 지금은 다른 방법으로 측정하기 어렵습니다. 자기장은 행성 내부의 역학과 항성풍으로부터 대기를 얼마나 보호하는지 알려줍니다. 둘 다 거주 가능성을 연구할 때 중요한 요소입니다. 이번이 첫 사례지만, 10년 뒤에는 행성과학의 표준 도구가 될 것 같습니다.
• @u/Ok-Elk-3046 — 실제로 측정 가능한 물리 현상을 연구하는데, 외계인 질문을 너무 많이 받으셨을 것 같습니다. 그래도 오래 궁금했던 게 있습니다. 프록시마 센타우리 b에서 지구의 일반적인 송신 신호와 출력, 방사 패턴, 대역폭이 비슷한 전파를 보낸다면, 현실적으로 잡음과 구별할 수 있을까요?
  • @u/Andromeda321 — 아마 못 할 겁니다. 여기 좋은 설명이 있습니다: https://what-if.xkcd.com/47/
• @u/Grounds4TheSubstain — 전파 방출은 약해져서 결국 우주 마이크로파 배경(CMB)과 구분할 수 없게 되기 때문에 외계행성에서 실질적으로 검출할 수 없는 줄 알았습니다.
  • @u/Andromeda321 — 왜 그렇게 생각하셨는지 잘 모르겠지만, 어쨌든 이번 결과가 보여주듯 사실이 아닙니다.

원문: WIRED / 번역·요약: Trawling