눈부신 별 옆의 희미한 세계

외계행성은 태양이 아닌 다른 별의 궤도를 도는 행성입니다. 태양 너머에서 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리는 약 4.24광년 떨어져 있으므로, 모든 외계행성은 우주선이 방문한 어떤 곳보다도 훨씬 멀리 있습니다. 우리가 외계행성에 대해 아는 모든 것은 수년 동안 날아온 빛에서 얻은 것입니다.

그냥 사진을 찍으면 되지 않을까요? 행성은 가시광선에서 의미 있을 만큼 스스로 빛을 내지 않습니다. 행성은 별의 빛을 반사해서만 빛나며, 그 빛의 아주 작은 일부만 반사합니다.

대비(행성의 밝기를 별의 밝기로 나눈 값)를 대략 추정하면

contrast ≈ (Rp / 2a)² × albedo

여기서 Rp는 행성의 반지름, a는 별과의 거리, albedo는 행성이 반사하는 빛의 비율입니다. 태양과 비슷한 별 주위를 1 AU에서 도는 지구와 비슷한 행성의 경우 그 결과는 약 10⁻¹⁰입니다. 별이 행성보다 대략 100억 배 더 밝다는 뜻입니다. 5.2 AU에 있는 목성의 경우에는 약 10⁻⁹, 즉 10억 배입니다. 이 계산은 반사된 가시광선만을 대상으로 합니다.

The planet is also very close to its star in the sky. At a distance of 1 parsec (3.26 light years) one AU looks like 1 arcsecond, so the angle in arcseconds is θ = a (in AU) ÷ d (in parsecs). From 10 parsecs an Earth-like orbit at 1 AU is only 0.1 arcsecond across. Jupiter’s orbit seen from 30 light years (9.2 parsecs) has a radius of 5.2 ÷ 9.2 ≈ 0.57 arcsecond. A glare ten billion times brighter than the planet, 0.1 arcsecond away, is a very hard thing to see past.

이 일을 더 쉽게 해 주는 두 가지가 있습니다. 첫째, 젊고 뜨겁고 거대하며 자신의 별에서 멀리 떨어진 행성은 자체적으로 열을 내며, 대부분 적외선으로 빛나므로 대비가 10⁻⁹보다 훨씬 좋습니다. 2008년 이후 촬영된 HR 8799계의 거대 행성 네 개가 대표적인 예입니다. 둘째, 코로나그래프는 별빛이 검출기에 도달하기 전에 차단하는 망원경 내부의 작은 가림막입니다. 스타셰이드는 우주에서 같은 원리를 사용하는 장치로, 망원경 앞 멀리 날아가는 커다란 차폐막입니다. 가림막이 너무 크면 행성도 가려지므로, 행성은 별에서 충분히 멀리 떨어져 가림막 바깥에 있어야 합니다.