외계 행성은 국제천문연맹(IAU)이 정의한, 태양이나 갈색 왜성, 별의 잔해를 공전하는 천체이다. 1992년 펄서 PSR B1257+12를 공전하는 행성들이 처음으로 발견된 이후, 시선속도법, 통과법 등 다양한 간접적인 방법을 통해 수많은 외계 행성이 발견되었다. 현재까지 5,000개 이상의 외계 행성이 확인되었으며, 지구와 유사한 환경을 가진 행성, 핫 주피터, 슈퍼 지구 등 다양한 종류의 외계 행성이 존재한다. 외계 행성 연구는 외계 생명체의 존재 가능성을 탐구하는 데 중요한 역할을 한다.
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중수소 열핵 융합 한계 질량(현재 태양과 비슷한 금속성을 가진 천체의 경우 목성 질량의 13배)보다 작은 실제 질량을 가지며, 별, 갈색 왜성, 또는 별의 잔해 주위를 공전하는 천체는 (형성 과정과 무관하게) "행성"이다.[27][28]
외계 행성으로 간주되기 위한 최소 질량/크기 기준은 태양계 내 행성의 정의와 동일하다.[460][461]
중수소 열핵 융합 한계 질량 이상의 질량을 가진 천체는 (형성 과정이나 위치와 무관하게) "갈색 왜성"으로 분류된다.[27][28]
젊은 성단 내에서 자유롭게 떠다니는, 중수소 열핵 융합 한계 질량 미만의 천체는 "행성"이 아닌 "준갈색왜성"으로 분류된다.[27][28]
국제천문연맹(IAU)은 2018년 8월, 외계 행성의 정의에 L4/L5 불안정성 미만의 중심 물체와의 질량비를 가지는 부분을 "행성"의 정의에 추가하였다.
3. 발견 역사
16세기이탈리아의 신학자 조르다노 부르노는 붙박이별들이 태양과 비슷하며 그 주위에는 우리 태양계처럼 행성들이 돌고 있다고 주장했다. 그는 1600년 종교 재판소의 결정에 따라 화형에 처해졌으나, 천문학적 관점이 유죄 판결의 주된 이유는 아니었다.[428]
18세기영국의 물리학자 아이작 뉴턴은 《자연철학의 수학적 원리》에서 부르노와 비슷한 주장을 했다. 뉴턴은 태양계 행성들과 비교하며 "만약 붙박이별들이 각각 태양처럼 계(系)의 중심이라면 이들은 모두 비슷한 형태로 구성되어 있을 것이며 ‘절대자’의 다스림 아래 있을 것이다."라고 썼다.[429]
수 세기 동안 과학자, 철학자, 과학 소설 작가들은 태양계 밖 행성 존재를 추측했지만, 그 존재 여부, 빈도, 태양계 행성과의 유사성은 알 수 없었다. 19세기의 여러 탐지 주장은 천문학자들에 의해 거부되었다.
1917년 반 마넨 2를 공전하는 행성에서 외계 행성일 가능성이 있는 첫 증거가 발견되었지만, 외계 행성으로 인식되지는 못했다. 마운트 윌슨 천문대장 월터 시드니 아담스는 60인치 망원경으로 별의 스펙트럼을 생성, F형 주계열성으로 해석했다. 현재는 이 스펙트럼이 별 중력에 부서진 외계 행성 잔해로 인해 발생했을 수 있다고 추정된다.[46]
1988년 최초의 과학적 발견이 이루어졌고, 1992년 알렉산더 볼스찬이 펄서 PSR B1257+12 주위를 공전하는 지구 질량 행성들을 발견했다고 발표하면서 처음으로 확인되었다.[47][66] 주계열성을 공전하는 외계 행성의 최초 확인은 1995년 51 페가시를 4일 주기로 공전하는 거대 행성이 발견되면서 이루어졌다.
망원경을 통한 직접 관측도 있지만, 대다수는 통과법, 시선 속도법 등 간접적인 방법으로 탐지되었다.
2018년 2월, 찬드라 엑스선 관측소와 마이크로렌즈 기술을 결합한 연구자들이 먼 은하에서 행성 증거를 발견했다. "이 외계 행성 중 일부는 달만큼 작고, 다른 행성은 목성만큼 크다. 대부분 별에 묶여 있지 않아 우주를 떠돌거나 별 사이를 공전한다. 이 은하에 1조 개가 넘는 행성이 있다고 추정한다."[48]
2022년3월 21일, 태양계 밖 5,000번째 외계 행성이 확인되었다.[49]2023년 1월 11일, NASA 과학자들은 LHS 475 b를 발견했는데, 이는 지구형 외계 행성이며, 제임스 웹 우주 망원경이 발견한 최초의 외계 행성이다.[50]
1938년, D. 벨로리츠키는 통과법을 사용한 외계 목성 탐색의 현실성을 입증했다.[53]1952년, 오토 스트루베는 뜨거운 목성 발견 40년 이상 전에 행성이 모항성 가까이 있을 수 있으며, 도플러 분광법과 통과법으로 슈퍼 목성을 감지할 수 있다고 제안했다.[54]
3. 1. 초기 발견 주장
16세기이탈리아의 신학자 조르다노 브루노는 붙박이별들이 태양과 비슷하며 그 주위에 행성들이 돌고 있다고 주장했다. 그러나 이는 과학적 근거보다는 종교적 신념에 기반한 주장이었다.[428]
18세기영국의 물리학자 아이작 뉴턴은 자신의 저서 《자연철학의 수학적 원리》에서 브루노와 비슷한 주장을 했다. 뉴턴은 "만약 붙박이별들이 각각 태양처럼 계(系)의 중심이라면 이들은 모두 비슷한 형태로 구성되어 있을 것이며 ‘절대자’의 다스림 아래 있을 것이다."라고 기록했다.[429]
3. 2. 철회된 발견 주장
19세기부터 외계 행성을 발견했다는 주장이 여러 차례 제기되었다. 1855년영국 동인도 회사 마드라스 천문대의 윌리엄 스테픈 제이콥은 쌍성 뱀주인자리 70 궤도의 불규칙성이 행성 때문이라고 주장했다.[430]1890년대시카고 대학교 및 미국 해군 천문대의 토머스 시는 36년 주기로 공전하는 보이지 않는 천체가 원인이라고 주장했다.[431] 그러나 포레스트 레이 몰턴은 이러한 주장을 반박하는 논문을 발표했다.[432]1950년대에서 1960년대에는 스와스모어 대학교의 페터 반 데 캄프가 바너드 별 주위에 행성이 있다는 주장을 여러 차례 발표했다.[433] 그러나 현재 천문학자들은 초기 외계 행성 발견 주장 모두를 관측 오류로 간주한다.[434]
1991년 앤드루 린 등은 펄사 타이밍 기법을 사용하여 PSR 1829-10 주위를 도는 펄사 행성을 발견했다고 주장했다.[435] 이 주장은 큰 관심을 받았으나, 지구 공전 궤도의 이심률을 반영하지 않은 계산 착오로 밝혀져 곧 철회되었다.[436]
3. 3. 검증된 발견 사실
1988년, 빅토리아 대학교와 브리티시컬럼비아 대학교의 캐나다 천문학자 브루스 캠벨, G. A. H. 워커, 그리고 스테판슨 양은 시선 속도 관측을 통해 세페우스자리 감마별 주위를 공전하는 행성의 존재를 주장했다.[256] 그러나 당시 관측 장비의 한계로 인해, 천문학자들은 이 주장에 회의적이었다. 이후 1990년에 추가 연구 결과가 발표되었지만,[257]1992년의 연구에서 다시 의문이 제기되었다.[258] 결국 2003년에 개선된 관측 기술을 통해 행성의 존재가 최종 확인되었다.[259]
1992년1월 9일, 전파 천문학자 알렉산데르 볼스찬과 데일 프레일은 펄서 PSR B1257+12 주위를 공전하는 두 개의 행성을 발견했다고 발표했다.[260] 이 행성들의 존재는 곧 입증되었으며,[260] 일반적으로 최초의 결정적인 외계 행성 발견으로 인정받는다. 이후 1994년에는 세 번째 행성도 발견되었다.[261] 이 행성들은 펄서 형성 과정에서의 초신성 폭발 잔해에서 형성되었거나, 폭발로 붕괴된 거대 가스 행성의 암석질 핵이 남은 것으로 추정된다.[262]
마요르와 켈로 (라 실라 천문대 2012년)
1995년10월 6일, 제네바 천문대의 미셸 마요르와 디디에 켈로는 G형 주계열성인 페가수스자리 51번별에서 주계열성을 공전하는 외계 행성을 최초로 발견했다고 발표했다.[263][264] 이 발견은 오트프로방스 천문대에서의 관측을 통해 이루어졌으며, 현대적인 외계 행성 탐사의 시대를 열었다. 고분해능 분광법 등 기술 발전으로 인해, 이후 많은 외계 행성들이 빠르게 발견되었다. 천문학자들은 행성의 중력이 주성에 미치는 영향을 측정하거나, 행성이 주성 앞을 통과할 때의 광도 변화를 통해 외계 행성을 발견할 수 있게 되었다.
초기에 발견된 외계 행성들은 대부분 주성 가까이에서 공전하는 거대한 목성형 행성으로, '''핫 쥬피터''' (뜨거운 목성 Hot Jupiter|핫 쥬피터영어)라고 불린다. 이는 기존 행성 형성 이론과 달라 많은 천문학자들을 놀라게 했다. 그러나 이후 다양한 종류의 외계 행성들이 발견되면서, 핫 쥬피터는 전체 외계 행성의 일부에 불과하다는 것이 밝혀졌다. 1999년에는 안드로메다자리 υ별에서 여러 개의 행성이 발견되어,[265] 주계열성으로는 최초로 다중 행성계가 확인되었다.
1999년, HD 209458 b가 최초로 트랜짓을 일으키는 외계 행성으로 확인되었다.[266]2001년 허블 우주 망원경 관측을 통해 HD 209458 b는 최초로 대기가 확인된 외계 행성이 되었다.[267][268]
2005년 6월, 글리제 876에서 세 번째 행성 글리제 876d가 발견되어,[271] 최초로 발견된 암석 행성으로 주목받았다. 같은 해 7월, HD 149026 b (Smertrios)가 발견되었는데,[272][273] 이 행성은 지구 질량의 약 70배에 달하는 거대한 핵을 가지고 있다는 것이 시사되었다.
2006년 1월, OGLE-2005-BLG-390Lb가 발견되었는데,[274] 발견팀은 이 행성을 당시 발견되었던 것 중 가장 지구와 비슷한 외계 행성이라고 표현했다. NASA는 이 행성을 스타워즈 시리즈의 호스에 비유했다.[275] 같은 해 12월 27일, 외계 행성 관측을 위한 우주 망원경 '''COROT'''이 발사되었고,[276]2007년5월 1일에 첫 번째 외계 행성 (CoRoT-1b)이 발견되었다.
2007년 7월, 글리제 581에서 글리제 581c와 글리제 581d가 발견되었는데,[277] 이 두 행성은 생명체 거주 가능 구역 내를 공전하고 있어, 표면에 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 있다.[278][279]
2009년 2월, CoRoT-7b가 발견되었는데,[283] 당시 크기가 알려진 외계 행성 중에서 가장 작았으며, 지구와 마찬가지로 암석으로 이루어진 암석 행성이라고 생각되고 있다.[283]
2009년3월 6일, 외계 행성 탐사를 위한 우주 망원경 '''케플러'''가 발사되었다.[285] 같은 해 5월부터 본격적인 관측을 시작했으며[286], 2010년 1월, 케플러가 발견한 최초의 5개 행성 (케플러 4b·5b·6b·7b·8b)의 관측 결과가 발표되었다.[287]
2009년6월 10일, 궁수자리 V4046별이라는 쌍성 주위에 원시 행성계 원반이 존재한다는 것이 포착되었다.[288] 같은 해 5월 28일, 천체측량법을 사용하여 최초로 외계 행성 후보를 발견했다고 발표했다.[289] 8월에는 슈퍼 WASP에 의해 WASP-17b가 발견되었는데,[291] 이 행성은 주성의 자전 방향과 반대 방향으로 공전하는 역행 행성임이 밝혀졌다. 같은 해 11월에는 HAT-P-7b도 역행 행성으로 발견되었다.[292]2009년 12월, 슈퍼 지구 GJ 1214 b가 발견되었고,[294]2012년 허블 우주 망원경 관측으로 짙은 수증기 대기로 덮여 있다는 것이 밝혀졌다.[295]
2010년 9월, 글리제 581f와 글리제 581g가 발견되었는데,[296] 글리제 581g는 생명체 거주 가능 구역 내에 위치하며, 환경이 당시 발견된 것 중 가장 지구와 비슷하다고 추정되었다.[297] 그러나 2014년에 이 두 행성의 존재 가능성이 낮다는 연구 결과가 발표되었다.[298]
2011년 2월, 케플러 관측으로 케플러 11을 공전하는 6개 행성과 1,235개 행성 후보가 발견되었다.[299]2012년 3월에는 추가로 1,091개 행성 후보가 발견되었다.[300] 같은 해 10월, 55 캔크리 e에 다이아몬드가 풍부하게 포함되어 있을 가능성이 제기되었다.[301][302] 같은 달, 태양계에 가장 가까운 항성계센타우루스자리 α별 B를 공전하는 암석 행성으로 추정되는 외계 행성이 발견되었으나,[303][304][305]2015년에 존재하지 않을 가능성이 높아졌다.[306][307]
2013년4월 18일, 케플러 관측으로 생명체 거주 가능 구역 내에 위치하며 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 3개 행성 (케플러 62e·케플러 62f·케플러 69c)이 발견되었다.[308]
2014년 2월 26일 NASA 발표 시점까지 연도별로 발견된 외계 행성 수. 주황색은 이 발표에서 새롭게 확인된 행성이다.
2014년2월 26일, NASA는 케플러 관측으로 305개 항성을 공전하는 총 715개 외계 행성을 발견했다고 발표했다. 2015년1월 6일, NASA는 케플러에 의해 확인된 외계 행성 수가 1,000개를 넘었다고 발표했다. 같은 해 7월 23일, NASA는 태양과 유사한 스펙트럼 분류 G2형 항성 케플러 452의 생명체 거주 가능 구역 내를 공전하는 지구 크기의 암석 행성으로 추정되는 케플러 452b를 발견했다고 발표했다.[312]
2016년3월 11일, NASA는 케플러 관측으로 1,284개 행성 후보의 존재가 확정되었다고 발표했다.[313] 같은 해 8월 24일, 유럽 남방 천문대는 태양계에 가장 가까운 항성 프록시마 센타우리의 생명체 거주 가능 구역 내에서 프록시마 센타우리 b를 발견했다고 발표했다.[314]
TRAPPIST-1계 행성의 상상도
2017년2월 22일, NASA는 TRAPPIST-1에 4개 행성을 추가로 발견하여 총 7개 행성이 존재한다고 발표했다.[318][319] 같은 해 11월, 로스 128b가 발견되었는데,[321][322] 이 행성은 주성의 생명체 거주 가능 구역 내를 공전하고 있다.
2017년 12월, 구글의 인공 지능 분석으로 케플러 90을 공전하는 새로운 행성이 발견되어, 케플러 90계의 행성 수는 태양계와 같은 8개가 되었다.[323][324]
2018년 3월, WASP-39b 대기에 토성의 3배나 되는 수증기가 포함되어 있다는 것이 발표되었다.[325] 같은 해 4월 18일, NASA의 외계 행성 탐사 위성 '''TESS'''가 발사되었고,[326] 같은 해 9월, TESS가 발견한 최초의 행성이 그물자리 π별에서 발견되었다.[327] 5월에는 WASP-107b 대기에서 헬륨이 검출되었다.[328]2018년 10월 31일, 케플러 운용 종료가 발표되었고,[329]2018년 11월 15일에 임무를 마쳤다.[330] 같은 달 14일, 버나드 별 주위에 슈퍼 지구로 추정되는 외계 행성 후보 존재 가능성이 제기되었다.[331] 26일에는 케플러, 가이아, 지상 망원경 관측 데이터를 조합하여 104개 새로운 외계 행성이 발견되었다.[332]
2019년 6월, 티가든 별 생명체 거주 가능 구역 내에 지구와 거의 동일한 질량을 가진 두 행성이 발견되었다.[333]
2020년 1월, TESS 관측으로 TOI-700 주위를 공전하는 3개 행성이 발견되었고, 그 중 TOI-700 d는 TESS가 발견한 최초의 생명체 거주 가능 구역 내 지구 크기 행성이었다.[334]
4. 발견 방법
직접 촬영된 행성 베타 픽토리스 b
행성은 모항성에 비해 매우 희미하다. 예를 들어, 태양과 같은 별은 그것을 공전하는 어떤 외계 행성에서 반사되는 빛보다 약 10억 배 더 밝다. 이러한 희미한 광원을 감지하기는 어렵고, 더욱이 모항성은 그것을 씻어내는 경향이 있는 눈부심을 유발한다. 행성에서 나오는 빛을 감지할 수 있도록 하면서 눈부심을 줄이기 위해 모항성의 빛을 차단하는 것이 필요하다. 그렇게 하는 것은 극심한 광열 안정성을 필요로 하는 주요 기술적 과제이다.[93] 직접 촬영된 모든 외계 행성은 크고 (목성보다 질량이 큼) 모항성으로부터 멀리 떨어져 있다.
제미니 행성 영상기, VLT-SPHERE, SCExAO와 같은 특수 설계된 직접 영상 장비는 수십 개의 가스 행성을 촬영했지만, 알려진 대부분의 외계 행성은 간접적인 방법을 통해서만 감지되었다. 지금까지 발견된 외계 행성의 97%는 주로 도플러 분광법이나 통과법과 같은 간접적인 방법으로 발견되었다.[232]
통과법: 별이 행성 뒤에 있을 때, 별의 밝기는 희미해 보이는 것처럼 보일 것이다 행성이 모항성의 원반 앞을 가로지를 때, 별의 관측된 밝기는 약간 감소한다. 별이 희미해지는 정도는 다른 요인들 중에서 별의 크기와 행성의 크기에 따라 달라진다. 통과법은 행성의 궤도가 모항성과 지구 사이의 시선과 교차해야 하기 때문에, 임의로 배치된 궤도에 있는 외계 행성이 별을 통과하는 것으로 관측될 확률은 다소 작다. 케플러 우주 망원경이 이 방법을 사용했다.
시선 속도 또는 도플러법: 행성이 별을 공전함에 따라 별 또한 시스템의 질량 중심을 중심으로 자체적으로 작은 궤도를 그리며 움직인다. 별의 시선 속도, 즉 지구로부터 멀어지거나 가까워지는 속도의 변화는 도플러 효과로 인해 별의 스펙트럼선의 변위로부터 감지될 수 있다. 1m/s 또는 그보다 약간 작은 극도로 작은 시선 속도 변화도 관측될 수 있다.[95]
통과 시점 변동 (TTV): 여러 행성이 존재할 때, 각 행성은 다른 행성의 궤도를 약간씩 교란시킨다. 따라서 한 행성의 통과 시점의 작은 변화는 또 다른 행성의 존재를 나타낼 수 있으며, 이 행성은 통과할 수도 있고 통과하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 행성 케플러-19b의 통과 시점 변화는 시스템에 통과하지 않는 두 번째 행성인 케플러-19c의 존재를 시사한다.[96][97]
통과 지속 시간 변동 (TDV): 한 행성계와 두 행성계의 행성 통과 시점의 차이를 보여주는 애니메이션 행성이 여러 별을 공전하거나 행성에 위성이 있는 경우, 그 통과 시간은 통과마다 크게 달라질 수 있다. 이 방법으로 새로운 행성이나 위성이 발견되지는 않았지만, 많은 통과형 이중성 행성을 성공적으로 확인하는 데 사용된다.[98]
중력 렌즈: 미세 렌즈 효과는 별의 중력장이 렌즈 역할을 하여 멀리 떨어진 배경 별의 빛을 증폭시킬 때 발생한다. 렌즈 역할을 하는 별을 공전하는 행성은 시간이 지남에 따라 변동하는 증폭률에 탐지 가능한 이상 현상을 일으킬 수 있다. 작은 궤도를 가진(또는 분해된 영상의 경우, 큰 궤도를 가진) 행성에 대한 탐지 편향이 있는 다른 대부분의 방법과 달리, 미세 렌즈 방법은 태양과 유사한 별로부터 약 1~10 AU 떨어진 행성을 탐지하는 데 가장 민감하다.
천체 측정: 천체 측정은 하늘에서 별의 위치를 정확하게 측정하고 시간이 지남에 따라 그 위치의 변화를 관찰하는 것으로 구성된다. 행성의 중력적 영향으로 인한 별의 움직임은 관찰될 수 있다. 그러나 이 움직임이 매우 작기 때문에, 이 방법은 2020년대까지는 그다지 생산적이지 못했다. 몇몇 확인된 발견만을 만들어냈지만,[99][100] 다른 방법으로 발견된 행성의 특성을 조사하는 데 성공적으로 사용되었다.
펄서 타이밍: 초신성으로 폭발한 별의 작고 밀도가 높은 잔해인 펄서는 회전하면서 규칙적으로 전파를 방출한다. 행성이 펄서를 공전하면, 시스템의 질량 중심을 중심으로 펄서의 움직임이 지구까지의 거리를 변경하여 펄서의 전파 펄스를 더 늦거나 더 이른 시간으로 이동시킨다. 펄서가 물리적으로 지구에 더 가깝거나 더 멀리 떨어져 있기 때문에 발생하는 이러한 빛의 이동 지연은 로머 시간 지연이라고 한다.[101]외계 행성의 첫 번째 확인된 발견은 이 방법을 사용하여 이루어졌다. 그러나 2011년 기준으로, 그다지 생산적이지는 않았다. 세 개의 다른 펄서 주변에서 다섯 개의 행성이 이 방식으로 탐지되었다.
변광성 타이밍 (진동 주파수): 펄서와 마찬가지로 주기적인 활동을 보이는 몇몇 다른 유형의 별이 있다. 주기성에서 벗어나는 현상은 때때로 행성이 그것을 공전하기 때문에 발생할 수 있다. 2013년 기준으로, 몇몇 행성이 이 방법으로 발견되었다.[102]
반사/방출 변조: 행성이 별에 매우 가까이 공전할 때, 상당한 양의 별빛을 포착한다. 행성이 별을 공전함에 따라, 지구의 관점에서 행성이 위상을 갖거나, 온도 차이로 인해 행성의 한쪽 면이 다른 면보다 더 빛나기 때문에 빛의 양이 변한다.[103]
상대론적 빔: 상대론적 빔은 별의 움직임으로 인해 관측되는 별의 플럭스를 측정한다. 행성이 모항성에 더 가까워지거나 멀어짐에 따라 별의 밝기가 변한다.[104]
타원체 변동: 모항성에 가까운 질량이 큰 행성은 별의 모양을 약간 변형시킬 수 있다. 이것은 지상에서 볼 때 별의 회전에 따라 별의 밝기가 약간 벗어나게 한다.[105]
편광 측정: 편광 측정 방법으로 행성에서 반사된 편광된 빛을 별에서 방출된 비편광된 빛과 분리한다. 이 방법으로 새로운 행성이 발견되지는 않았지만, 이미 발견된 몇몇 행성이 이 방법으로 탐지되었다.[106][107]
별 주위 원반: 많은 별을 둘러싼 우주 먼지 원반은 소행성과 혜성 간의 충돌에서 기원하는 것으로 여겨진다. 먼지는 별빛을 흡수하여 적외선 복사로 재방출하기 때문에 탐지할 수 있다. 원반의 특징은 행성의 존재를 시사할 수 있지만, 이는 확실한 탐지 방법으로 간주되지 않는다.
5. 명명법
외계 행성의 명명법은 쌍성계의 항성 구성원들 이름을 붙이는 것과 다르지 않다. 다만 항성의 경우 대문자를 붙이지만 행성은 소문자를 붙인다는 점이 다를 뿐이다. 보통 처음으로 행성이 발견될 경우 그 행성의 어머니 항성 이름 바로 뒤에 소문자 'b'를 붙인다(예: 페가수스자리 51 b). 어머니 항성이 A이기 때문에 'a'는 쓰지 않는다. 같은 행성계 내에서 첫 번째 행성이 발견된 뒤 추가로 형제 행성들이 발견될 경우, b 다음의 c, d, e... 순서대로 이름을 얻는다. 동시에 두 개의 행성이 함께 발견될 때도 있는데, 이 경우 항성에 가까운 쪽이 빠른 기호를 받는다. 행성들은 반드시 항성으로부터 가까운 순서대로 발견되는 것은 아니기 때문에 항성으로부터의 순서대로 늘어놓을 경우 뒤죽박죽처럼 보이는 경우도 있다. 예를 들어 글리제 876 행성계의 경우 글리제 876 d는 이전에 발견되었던 글리제 876 b, c보다 항성에 가깝기 때문에 거리 순서로 정렬하면 d, c, b가 된다.
때로는 쌍성계 구성원들 중 어디에 속해 있는지를 명확히 하기 위해 어머니 항성 기호와 함께 표기하는 경우도 있다. 예를 들어 백조자리 16은 A와 B 두 개의 별로 이루어져 있는데, 이 중 B 주위에서 첫 번째 행성이 발견되었고, 이 행성은 A가 아닌 B 옆에 있기 때문에 '백조자리 16 Bb'라는 이름을 받았다.
몇몇 행성들은 태양계 행성들처럼 별도의 애칭을 얻은 경우도 있다. 대표적인 경우가 '오시리스'로 불리는 HD 209458 b, '벨레로폰'으로 불리는 페가수스자리 51 b, '므두셀라'로 불리는 PSR B1620-26 b이다. 국제천문연맹은 현재 외계 행성 이름을 붙이는 공식적 지침을 마련하지 않은 상태이다.[463]
6. 일반적 특성
2020년 1월 현재, 미국 항공우주국(NASA)의 ''케플러'' 및 TESS 임무는 확인되지 않은 4374개의 행성 후보를 확인했으며,[83] 이 중 상당수는 지구 크기에 가깝고 생명 가능 지대에 위치해 있으며, 일부는 태양과 같은 별 주위에 있다.[84][85][86]
2020년 9월, 천문학자들은 와류 은하 (M51a)에서 밝은 엑스선원 (XRS)을 가리는 현상으로 감지된 외은하 행성 M51-ULS-1b의 증거를 처음으로 보고했다.[89][90] 같은 시기, 중력 렌즈 기술을 사용한 천문학자들은 별에 묶여 있지 않고 은하수 은하에서 자유롭게 떠다니는 지구 질량의 떠돌이 행성을 마이크로렌즈 관측을 통해 처음으로 탐지했다고 보고했다.[91][92]
1991년 앤드루 라인(Andrew Lyne)과 동료들은 펄서의 펄스 변동을 이용하여, PSR 1829-10에 펄서 행성을 발견했다고 주장했지만, 곧 철회했다.[254][255]
발견된 외계 행성 후보 대부분은 간접적인 방법으로 발견되었기 때문에, 궤도 요소와 최소 질량 등 일부 물리적 수치만 알 수 있다. 도플러 분광법을 통해 공전 주기, 궤도 평균 거리, 이심률 등을 알 수 있지만, 궤도경사각은 알 수 없어 최소 질량만 계산 가능하다. 행성이 항성 앞을 통과하는 경우, 행성의 실제 질량과 반지름을 알 수 있다. 행성 여러 개가 있는 계의 경우, 위치천문학적 관측과 동역학적 연구를 통해 행성 질량 오차를 줄일 수 있다. 행성 대기 조성은 분광기를 이용하여 분석할 수 있다.[454]
2008년8월 기준으로 지구 질량 10배 미만 행성은 12개에 불과하며,[417] 지금까지 발견된 외계 행성 대부분은 목성 또는 그 이상으로 매우 무거운 질량을 지녔다. 많은 외계 행성들은 수성보다 훨씬 가까운 거리에서 항성을 공전한다. 천문학자들은 처음에 이런 “뜨거운 목성”의 존재에 충격을 받았으나, 현재는 대부분의 외계 행성들이 항성에서 보다 멀리 떨어져 있음이 확실하며, 그 중 일부는 물이 액체 상태로 존재 가능한 생물권 내를 공전한다.
공전 이심률은 행성이 항성을 얼마나 찌그러진 궤도를 그리면서 도는지를 보여준다. 발견된 행성들 대부분의 궤도는 크게 찌그러져 있다.
2015년까지 1,800개가 넘는 외계 행성이 발견되었으며 그 수는 꾸준히 증가하고 있다.
6. 1. 항성의 특징
알려진 대부분의 외계 행성은 태양과 비슷한 F, G, K형 주계열성을 돌고 있다. 이는 행성 탐사 계획이 이러한 별들을 집중적으로 관측했기 때문이다. 그러나 통계적 분석에 따르면 질량이 작은 별(적색 왜성)은 행성을 가질 확률이 작거나, 행성이 있더라도 질량이 작아 발견하기 어렵다.[452] 스피처 우주 망원경 관측에 따르면 태양보다 뜨거운 분광형 O형 항성은 광증발효과를 일으켜 행성 생성을 막는다.[453]
항성은 대부분 수소, 헬륨으로 이루어져 있지만, 적은 양의 철과 같은 무거운 원소도 포함한다. 중원소 함량이 큰 별은 행성을 가질 확률이 높고, 행성들의 질량도 더 큰 경향을 보인다.
모건-키넌 분광형 분류
두 개의 별을 공전하는 외계 행성에 대한 예술적 묘사
별당 평균 최소 한 개의 행성이 존재한다.[6] 약 5개의 태양과 비슷한 별 중 1개는[7] 생명 가능 지대에 "지구 크기"[8]의 행성을 가지고 있다.[120]
가장 많은 외계 행성은 태양과 대략적으로 유사한 별, 즉 주계열성 중 분광형 F, G, 또는 K형 별을 공전한다. 질량이 낮은 별(적색 왜성, 분광형 M)은 시선 속도법으로 감지할 수 있을 정도로 질량이 큰 행성을 가질 가능성이 낮다.[121][122] 그럼에도 불구하고, 케플러 우주 망원경이 더 작은 행성을 감지하기 위해 통과법을 사용하여 적색 왜성 주위에 수십 개의 행성이 발견되었다.
케플러의 데이터를 사용하여 별의 금속 함량과 목성 크기와 유사한 거대 행성을 거느릴 확률 사이에 상관관계가 발견되었다. 금속 함량이 높은 별은 금속 함량이 낮은 별보다 행성, 특히 거대 행성을 가질 가능성이 더 높다.[123]
일부 행성은 쌍성계의 한 구성원을 공전하며,[124] 여러 개의 쌍성 주위 행성이 쌍성계의 두 구성원 모두를 공전하는 것으로 발견되었다. 삼중성계의 몇몇 행성이 알려져 있으며,[125] 네중성계인 케플러-64에도 행성이 하나 있다.
6. 2. 관측된 특성
발견된 외계 행성 후보 대부분은 간접적인 방법으로 발견되었기 때문에, 궤도 요소와 최소 질량 등 일부 물리적 수치만 알 수 있다. 도플러 분광법을 통해 공전 주기, 궤도 평균 거리, 이심률 등을 알 수 있지만, 궤도경사각은 알 수 없어 최소 질량만 계산 가능하다. 행성이 항성 앞을 통과하는 경우, 행성의 실제 질량과 반지름을 알 수 있다. 행성 여러 개가 있는 계의 경우, 위치천문학적 관측과 동역학적 연구를 통해 행성 질량 오차를 줄일 수 있다. 행성 대기 조성은 분광기를 이용하여 분석할 수 있다.[454]
행성이 항성 앞을 지나갈 때 분광기를 이용하여 관측, 행성 대기의 조성물을 분석할 수 있다. 2차 통과(행성이 항성 뒤로 돌아갈 때 일어남)를 통해 행성에서 방출되는 적외선 복사를 감지할 수 있다. 적외선 관측으로 항성에 매우 가깝게 붙어 있는 행성의 표면 온도가 어떻게 형성되어 있는지를 연구할 수 있다.
2004년 8월 31일까지 발견된 모든 외계 행성들을 표시한 그림. 발견 방법에 따라 시선 속도법(파랑), 트랜싯법(빨강), 미시중력렌즈법(노랑)으로 다르게 표시했다. 지상 관측 및 우주 관측시 민감도(발견 가능한 천체 질량 하한선)도 함께 표시되어 있다.
2008년8월 기준으로 지구 질량 10배 미만 행성의 숫자는 12개에 불과하며,[417] 지금까지 발견된 외계 행성 대부분은 목성 또는 그 이상으로 매우 무거운 질량을 지녔다. 적지 않은 행성들은 목성보다도 훨씬 무겁다. 그러나 이는 편향적인 결과에 불과하다. 지금까지 개발된 발견 방법으로는 작고 가벼운 행성보다는 무겁고 덩치 큰 행성들을 발견하기가 훨씬 쉽다. 이처럼 쏠린 결과는 통계적 분석을 어렵게 만드나 실제 지구처럼 가벼운 행성들은 무거운 가스 행성들보다 흔하게 존재하는 것으로 추측된다. 또한 관측 기술이 아직 정교하지 못함에도 불구하고 지구질량 수 배 수준 행성들이 여럿 발견되었음을 고려하면, 작은 행성들은 매우 흔하게 우주에 존재하는 것으로 생각된다. 칠레 소재 라 실라 천문대 HARPS 스펙트럼 사진기 2008년 자료에 따르면 항성 14개 중 하나 꼴로 가스 행성이 있으며, 다시 가스 행성이 있는 별 셋 중 하나 꼴로 지구질량 30배 이하의 암석 행성을 거느리고 있을 가능성이 높은 것으로 밝혀졌다.[455]
많은 외계 행성들은 어머니 항성을 우리 태양계 수성보다 훨씬 더 가까운 곳에서 돌고 있다. 이 사실은 관측적인 선택편향으로 해석 가능하다. 시선속도법은 작은 궤도를 도는 행성들을 보다 잘 찾아낸다. 천문학자들은 처음에는 이런 “뜨거운 목성”의 존재에 충격을 받았으나 현 시점에서 대부분의 외계 행성들은(혹은 적어도 대부분의 무거운 외계 가스 행성들은) 항성에서 보다 멀리 떨어져 있음이 확실하다. 그 중 일부는 물이 액체 상태로 존재 가능한 생물권 내를 도는 경우도 있다. 대부분의 외계 행성계에는 목성이나 토성과 비슷한 덩치의 가스 행성이 적어도 한 개 또는 두 개씩은 있을 가능성이 높다.
공전 이심률은 행성이 어머니 항성을 얼마나 찌그러진 궤도를 그리면서 도는지를 보여준다. 발견된 행성들 대부분의 궤도는 크게 찌그러져 있다. 이는 관측적 선택편향이 아닌, 외계 행성들이 보여주는 보편적 모습이다. 그 이유로 궤도 이심률은 행성 발견 감지도에 영향을 끼치는 요소가 아니기 때문이다. 타원 궤도가 흔하다는 사실은 과학자들에게 있어 중대한 수수께끼인데, 현재 행성 탄생 이론에 따르면 행성의 궤도는 원에 가깝게 형성되어야 하기 때문이다. 이러한 의문을 설명할 수 있는 이론 중 하나로 T 왜성(메탄이 포함된 갈색 왜성)과 같은 작은 동반 천체가 행성계에 숨겨져 있어 행성의 궤도를 뒤틀리게 만든다는 주장이 있다.[456] 이는 우리 태양계가 흔치 않은 사례일 것임을 암시해 주는데, 그 이유는 수성을 뺀 모든 행성들이 원에 가까운 궤도를 돌고 있기 때문이다.
외계 행성이 한 개만 있는 행성계의 시선 속도 곡선은 대부분 궤도이심률이 0.1 이상임을 보여준다. 그러나 모의 실험 결과 행성이 2개 있을 경우 궤도가 원형이 되는 경우가 많았다. 항성 주위 1개만 있다고 보고된, 이심률이 비교적 작은 행성들 중 약 15퍼센트가 숨겨진 형제 행성이 있을 가능성이 있다.[459]
이 색상-색상 다이어그램은 태양계 행성들의 색상과 외계 행성 HD 189733b의 색상을 비교한다. 외계 행성의 짙은 파란색은 대기 중에서 파란색 빛을 산란시키는 규산염 방울에 의해 생성된다.
2013년에 외계 행성의 색상이 처음으로 결정되었다. HD 189733b의 최적 알베도 측정 결과, 짙고 어두운 파란색을 띤다는 것이 밝혀졌다.[126][127] 같은 해 말, 시각적으로 자홍색을 띠는 GJ 504 b와 가까이서 보면 붉은색으로 보이는 카파 안드로메다 b를 포함한 다른 여러 외계 행성의 색상이 결정되었다.[128][129]헬륨 행성은 흰색 또는 회색으로 보일 것으로 예상된다.[130]
행성의 겉보기 밝기(겉보기 등급)는 관찰자까지의 거리, 행성의 반사율(알베도), 그리고 행성이 별로부터 받는 빛의 양에 따라 달라지는데, 이는 행성이 별에서 얼마나 떨어져 있는지와 별이 얼마나 밝은지에 따라 달라진다. 따라서 알베도가 낮고 별에 가까운 행성이 알베도가 높고 별에서 먼 행성보다 더 밝게 보일 수 있다.[131]
기하 알베도 측면에서 가장 어두운 것으로 알려진 행성은 TrES-2b인데, 이 행성은 자신의 별로부터 빛의 1% 미만을 반사하여 석탄이나 검은색 아크릴 페인트보다 반사율이 낮다. 뜨거운 목성은 대기 중의 나트륨과 칼륨 때문에 매우 어두울 것으로 예상되지만, TrES-2b가 왜 그렇게 어두운지는 알려져 있지 않다. 그것은 알려지지 않은 화학 화합물 때문일 수 있다.[132][133][134]
가스 행성의 경우, 구름이 이 효과를 수정하지 않는 한 기하 알베도는 금속량 또는 대기 온도가 증가함에 따라 일반적으로 감소한다. 구름 기둥 깊이가 증가하면 가시광선 파장에서 알베도가 증가하지만 일부 적외선 파장에서는 감소한다. 가시 알베도는 나이가 증가함에 따라 증가하는데, 이는 나이가 많은 행성이 구름 기둥 깊이가 더 깊기 때문이다. 가시 알베도는 질량이 증가함에 따라 감소하는데, 이는 질량이 더 큰 거대 행성이 표면 중력이 더 크기 때문에 구름 기둥 깊이가 더 낮기 때문이다. 또한 타원 궤도는 대기 조성에 큰 변동을 일으킬 수 있으며, 이는 상당한 영향을 미칠 수 있다.[135]
질량이 크거나 젊은 가스 행성의 경우, 일부 근적외선 파장에서 반사보다 열 방출이 더 많다. 따라서 가시 밝기는 완전히 행성 위상에 따라 달라지지만, 근적외선에서는 항상 그런 것은 아니다.[135]
가스 행성의 온도는 시간이 지남에 따라, 그리고 별과의 거리가 멀어짐에 따라 감소한다. 온도를 낮추면 구름이 없더라도 가시 알베도가 증가한다. 온도가 충분히 낮아지면 물 구름이 형성되어 가시 알베도를 더욱 증가시킨다. 온도가 더 낮아지면 암모니아 구름이 형성되어 대부분의 가시광선 및 근적외선 파장에서 가장 높은 알베도를 나타낸다.[135]
대기는 여러 외계 행성에서 감지되었다. 2001년 처음으로 관측된 것은 HD 209458 b였다.[166]
타이탄에서 ''카시니''의 일몰 연구는 외계 행성 대기를 이해하는 데 도움이 된다(예술가의 개념).
2014년 2월 기준으로 50개 이상의 통과법 및 5개의 직접 영상 외계 행성 대기가 관측되어 분자 스펙트럼 특징의 감지, 주야간 온도 기울기 관측, 수직 대기 구조에 대한 제약이 발생했다.[168] 또한, 대기는 비통과형 뜨거운 목성 타우 보오티스 b에서 감지되었다.[169][170]
2017년 5월, 100만 마일 떨어진 궤도 위성에서 반짝이는 지구의 빛이 대기의 얼음 결정에서 반사된 빛인 것으로 밝혀졌다.[171][172] 이를 결정하는 데 사용된 기술은 외계 행성을 포함한 멀리 떨어진 세계의 대기를 연구하는 데 유용할 수 있다.
모항성으로부터 받는 빛의 세기를 측정하여 외계 행성의 온도를 추정할 수 있다. 예를 들어, 행성 OGLE-2005-BLG-390Lb의 표면 온도는 대략 -220°C로 추정된다. 그러나 이러한 추정치는 행성의 일반적으로 알려지지 않은 알베도에 의존하고, 온실 효과와 같은 요인이 알려지지 않은 복잡성을 초래할 수 있으므로 상당히 오차가 있을 수 있다. 일부 행성은 궤도를 돌면서 모항성에 의해 가려질 때 적외선 복사의 변화를 관찰하여 온도를 측정했다. 예를 들어, 행성 HD 189733b는 주간 평균 온도가 932°C이고 야간 평균 온도가 700°C로 추정되었다.[181]
6. 3. 선택적 효과
지금까지 발견된 외계 행성 대부분은 목성 또는 그 이상으로 매우 무거운 질량을 지니고 있다. 이는 현재 기술 수준에서 작고 가벼운 행성보다 무겁고 큰 행성을 발견하기 쉽기 때문이다.[417] 많은 외계 행성들이 어머니 항성을 수성보다 훨씬 가까운 거리에서 돌고 있지만, 이는 시선속도법이 작은 궤도를 도는 행성들을 보다 잘 찾아내는 관측적 선택편향으로 해석될 수 있다.
공전 이심률은 행성이 어머니 항성을 얼마나 찌그러진 궤도를 그리면서 도는지를 보여준다. 발견된 행성들 대부분의 궤도는 크게 찌그러져 있는데, 이는 궤도 이심률이 행성 발견 감지도에 영향을 끼치는 요소가 아니기 때문에 외계 행성들의 보편적인 모습으로 해석된다.[456] 타원 궤도가 흔하다는 사실은 과학자들에게 있어 중대한 수수께끼인데, 현재 행성 탄생 이론에 따르면 행성의 궤도는 원에 가깝게 형성되어야 하기 때문이다.
6. 4. 외계 행성의 다양성
2015년까지 1,800개가 넘는 외계 행성이 발견되었으며 그 수는 꾸준히 증가하고 있다. 카네기 과학 재단의 앨런 보스 박사는 우리 은하 안에만 수천억 개의 암석 행성이 존재할 것으로 추측했다. 그는 이들 중 많은 곳에 간단한 형태의 생명체가 존재하며 수천 개의 문명이 존재할 수 있다고 주장했다. 그는 태양과 비슷한 항성 주위에는 평균 지구와 비슷한 행성이 하나씩은 있다고 추측했다.[457]
에든버러 대학교 천문학 연구팀은 최근 외계 지적 문명의 수가 최소 361개에서 최대 37,964개에 이른다는 연구 결과를 발표했다.[458]
7. 주요 외계 행성
별당 평균 최소 한 개의 행성이 존재한다.[6] 약 5개의 태양과 비슷한 별 중 1개는[7] 생명 가능 지대에 "지구 크기"[8]의 행성을 가지고 있다.[120]
가장 많은 외계 행성은 태양과 대략적으로 유사한 별, 즉 주계열성 중 분광형 F, G, 또는 K형 별을 공전한다. 질량이 낮은 별(적색 왜성, 분광형 M)은 시선 속도법으로 감지할 수 있을 정도로 질량이 큰 행성을 가질 가능성이 낮다.[121][122] 그럼에도 불구하고, 케플러 우주 망원경은 통과법을 사용하여 적색 왜성 주위에 수십 개의 행성을 발견했다.
케플러의 데이터를 통해 별의 금속 함량과 목성 크기와 유사한 거대 행성을 거느릴 확률 사이에 상관관계가 발견되었다. 금속 함량이 높은 별은 금속 함량이 낮은 별보다 행성, 특히 거대 행성을 가질 가능성이 더 높다.[123]
일부 행성은 쌍성계의 한 구성원을 공전하며,[124] 여러 개의 쌍성 주위 행성이 쌍성계의 두 구성원 모두를 공전하는 것으로 발견되었다. 삼중성계의 몇몇 행성이 알려져 있으며[125], 네중성계인 케플러-64에도 행성이 하나 있다.
7. 1. 의미있는 발견 사례
페가수스자리 51에서 1995년에 주계열성 주위를 도는 외계 행성 중 최초로 확인된 거대 행성이 발견되었다. 이 행성은 페가수스자리 51 b로 명명되었으며, 4일 주기로 항성을 공전한다. 뜨거운 목성으로 분류된 최초의 행성이기도 하다.[47][66]
이 외에도, 글리제 876 b는 적색 왜성 주위에서 최초로 발견된 행성으로 알려져 있으며, 안드로메다자리 웁실론 행성계는 한 항성 주위를 도는 행성이 두 개 이상 발견된 최초의 사례이다. HD 209458 b는 항성 앞을 통과하는 최초의 외계 행성으로 기록되었다.
외계 행성 발견의 역사에서 첫 번째 중요한 사건은 1992년에 일어났다. 알렉산더 볼시찬과 프레일은 네이처에 기고한 논문에서 PSR B1257+12를 공전하는 행성들을 발견했다고 발표했다.[443] 이 행성들은 최초로 존재가 확인된 외계 행성이었으며, 펄사 주위를 돌고 있다는 점에서 매우 특이한 사례로 꼽힌다.
그러나 평범한 항성 주위를 도는 행성 중 최초로 발견된 것은 페가수스자리 51 b였다. 이 행성은 메이어와 퀠로즈가 1995년 10월 6일 네이처 지에 발표했다.[444] 천문학자들은 이 행성이 '뜨거운 목성'이라는 사실에 놀랐지만, 이후 비슷한 사례들이 계속 발견되면서, 항성 가까이에서 공전하는 행성들이 흔하다는 것을 알게 되었다.
;1996년 - 큰곰자리 47 b: 목성 정도의 질량을 가지며, 긴 공전 주기를 갖는 최초의 행성으로 기록되었다. 항성에서 2.11AU 떨어져 있으며 이심률은 0.049이다. 이후 동반 행성도 발견되었는데, 3.39AU 거리에 이심률은 0.220 ± 0.028, 공전 주기는 2190 ± 460일이다.
;1998년 - 글리제 876 b: 적색 왜성(글리제 876) 주위에서 최초로 발견된 행성이다. 항성과의 거리는 태양과 수성 사이의 거리보다 가깝다. 이후 항성에 더 가까이 있는 행성들이 추가로 발견되었다.[464]
;1999년 - 안드로메다자리 웁실론 행성계: 한 항성 주위를 도는 행성이 두 개 이상 발견된 최초의 사례이다. 행성들은 모두 목성급 질량을 갖고 있으며 총 3개가 발견되었다. 이름은 안드로메다자리 웁실론 b, c, d로 각각 1996년, 1999년 발견되었다. 질량은 각각 목성의 0.687, 1.97, 3.93배이며, 항성과 떨어진 거리는 0.0595AU, , 2.54AU이다.[465]
;1999년 - HD 209458 b: 시선속도법으로 발견되었으며, 이후 항성 앞을 통과하는 최초의 외계 행성이 되었다.[466]
;2001년 - HD 209458 b: 허블 우주 망원경을 이용하여 대기가 존재함을 확인했다. 과학자들은 이 행성의 대기에 나트륨이 있음을 알아냈지만, 예상보다 적은 양이었다. 대기 상층부의 구름이 하층 대기를 가리고 있다는 사실도 밝혀졌다.[467] 2008년에는 구름의 반사율이 측정되었다.
;2001년 - 용자리 요타 b: 거성 주위에서 발견된 최초의 행성이다. 항성 용자리 요타는 주황색 거성이다. 이 행성의 발견으로, 거성으로 진화할 때까지 행성이 생존할 수 있다는 것이 증명되었다. 거성은 활동량 변화가 커서 행성이 있는 것처럼 착각하게 만들 수 있지만, 요타 b는 질량이 커서 존재를 확인할 수 있었다. 궤도는 이심률이 매우 크며, 궤도 긴반지름은 1.275AU이다.[468] 2008년 용자리 요타는 황소자리 엡실론과 함께 히아데스 성단에서 태어났을 가능성이 제기되었다.
;2003년 - PSR B1620-26 b: 7월 10일 허블 우주 망원경 관측 자료를 통해 펄사 주위에서 가장 나이가 많은 행성이 발견되었다. 이 행성은 전갈자리 방향으로 지구에서 5,600광년 떨어진 구상 성단 메시에 4에 있다. 이 행성은 쌍성을 공전하는 유일한 존재로, 쌍성 중 하나는 백색 왜성, 다른 하나는 펄사이다. 질량은 목성의 두 배 정도이며 나이는 약 130억 살로 추정된다.[469]
;2004년 - 제단자리 뮤 c: 유럽 남방 천문대에서 HARPS 스펙트럼 사진기를 이용하여 발견했다. 질량은 지구의 14배 정도로 천왕성과 비슷하여, '뜨거운 해왕성' 또는 '슈퍼지구'라는 별명이 붙었다.[470]
;2004년 - 2M1207 b: 갈색 왜성 주위를 도는 것으로 확인된 최초의 행성이며, 적외선 영역을 통해 직접 행성의 모습을 촬영한 최초의 사례이다. 질량은 최소 목성의 5배 정도이며, 갈색 왜성에서 약 55AU 떨어진 거리를 돌고 있다. 이 행성은 매우 뜨거운데(1250 켈빈), 주로 중력 수축 때문이다. 갈색 왜성의 질량은 목성의 25배 정도이다.[471] 2005년 후반, 갈색 왜성과 행성 사이 거리는 41AU, 행성 질량은 목성의 3.3배로 수정되었는데, 이는 갈색 왜성과 지구 사이 거리가 예상보다 가까웠기 때문이다. 2006년 갈색 왜성 주위에 원시 행성계 원반이 있음이 확인되어, 갈색 왜성 주변에서도 행성이 생겨날 수 있음이 입증되었다.[472]
;2005년 - 글리제 876 d: 6월 글리제 876의 세 번째 행성 존재가 발표되었다. 질량은 지구의 7.5배로, 주계열성을 도는 외계 행성 중 두 번째로 가볍다. 암석 행성일 가능성이 크며, 항성으로부터 0.021AU, 공전 주기 1.94일이다.[473]
;2005년 - HD 149026 b: 7월, 어떤 외계 행성보다도 큰 중심핵을 가진 천체가 발견되었다. HD 149026 b는 항성 HD 149026을 돌고 있으며, 핵의 질량은 지구 질량의 70배(2008년 기준 80 ~ 110배)로, 행성 전체 질량의 3분의 2를 차지한다.[474]
;2006년 - OGLE-2005-BLG-390Lb: 1월 25일 발견이 발표되었다. 지구에서 가장 멀리 떨어져 있고 표면 온도가 가장 낮은 천체였다. 지구에서 약 21,500광년 떨어져 있으며 은하 중심 방향에 있다. 중력 렌즈법으로 발견되었으며, 질량은 지구의 5.5배로 주계열성 주위 외계 행성 중 가장 작다. 이 행성 이전 발견된 작은 행성들은 항성 바로 옆에 있었지만, OGLE-2005-BLG-390Lb는 항성에서 2.6AU 떨어져 있다.[475][476]
;2006년 - HD 69830: 해왕성급 질량 행성 세 개를 거느린 행성계로, 목성급 행성이 없는 유일한 사례이다. 5월 18일 로비스가 세 행성을 동시에 발견했다. 세 행성 모두 1AU 이내를 공전한다. b, c, d의 질량은 각각 지구의 10, 12, 18배이다. 가장 바깥쪽 행성 d는 소행성대를 이끌고 있으며, 생물권 내에 있다.[477]
;2007년 - HD 209458 b, HD 189733 b: 2007년 2월 21일 미국 항공우주국과 네이처는 두 행성을 발견했다고 발표했다. 이들은 스펙트럼 관측을 통해 존재를 밝혀낸 최초의 사례이다.[478][479] 과학자들은 행성 대기 스펙트럼을 통해 생명체 존재 여부를 간접적으로 추측할 수 있다고 믿었다. 나사 고다드 우주비행센터의 제레미 리차드슨 연구진은 HD 209458 b의 스펙트럼을 측정했는데, 수증기가 있다는 증거는 나타나지 않았고, 규산염 구름이 있다는 증거가 발견되었다. 제트 추진 연구소의 마크 스웨인 연구진도 비슷한 결과를 얻었다. 나사 스피처 과학 센터의 칼 그릴마이르 연구진은 HD 189733 b를 연구하여 대기 스펙트럼에서 물의 존재를 처음으로 증명했다.[480]
;2007년 - 글리제 581 c: 2007년 4월 24일 스페이스닷컴은 이 행성에 액체 물이 있을 가능성이 있다고 발표했다.[481] 그러나 추가 연구 결과 글리제 581 c는 금성과 같은 온실 효과 상태이며, 표면의 물은 액체로 존재할 수 없다는 결론이 나왔다.[482][483] 오히려 c보다 멀리 있는 글리제 581 d가 생명체 거주에 더 적합한 환경으로 밝혀졌다. SETI 연구소의 세스 쇼스탁은 글리제 581이 생명체 적합 후보로 생각되지만, 생명 존재 증거는 없다고 말했다.
;2007년 - 글리제 436 b: 2004년 8월 발견되었으며, 질량은 해왕성 수준으로 당시 발견된 외계 행성들이 주로 목성급이었던 것에 비해 특이했다. 2007년 5월, 이 행성이 항성 앞을 통과하는 것이 발견되었고, 질량은 지구의 22배로 통과 현상을 보이는 외계 행성 중 가장 작았다. 행성의 밀도로 보아 글리제 436 b는 '뜨거운 얼음' 핵으로 이루어져 있다고 예측된다. 항성에서 가까워 뜨거운 환경임에도 자체 중력 때문에 물은 증발하지 않고 압축되어 밀도 높은 상태로 존재한다.[484]
;2007년 - XO-3b: 항성 XO-3 앞을 통과하는 것이 관측되었는데, XO-3b의 질량은 목성의 13.24배로 갈색 왜성과 행성의 경계선인 13배에 걸쳐 있었다. 이는 당시 발견된 외계 행성 중 가장 무거운 값이었고, 통과 현상을 보이는 행성 중에서도 가장 컸다. 반지름은 목성의 1.92배 정도이며, 발견된 외계 행성 중 가장 큰 값이다. 1 공전 주기는 3.19일이며, 궤도 이심률은 항성에 가까이 붙어 도는 행성 치고는 비정상적으로 높다(0.22).[485]
;2007년 - TrES-4: 발견 당시 가장 큰 반지름(목성의 1.7배)과 가장 낮은 밀도(목성의 0.84배로, 목성 밀도의 7분의 1)를 지닌 행성이다. 항성에서 매우 가까우나, 크게 부풀어 오른 이유가 단순히 항성에서 많은 열을 받기 때문만은 아니다.[486]
;2008년 - OGLE-2006-BLG-109Lb, OGLE-2006-BLG-109Lc: 2008년 2월 14일 발견되었으며, 우리 태양계의 목성, 토성과 흡사한 구조를 갖고 있다. 이 둘은 목성, 토성과 비슷한 질량비를 갖고 있으며, 항성으로부터의 거리도 비슷하다. 가스 행성이 이 정도 위치에 있는 것은, 가까운 곳에 있을 지구형 행성에 생명체가 안정적으로 진화할 시간을 준다는 의미가 있다. 이런 가스 행성은 소행성 등을 중력으로 끌어당겨 제거하기 때문이다. 이런 의미에서 적당히 멀리 떨어진 가스 행성을 '선량한 목성'으로 부른다.(반대로 항성에 가까이 붙어 도는 행성들을 '사악한 목성'으로 부른다)[487]
;2008년 - HD 189733 b: 3월 20일 네이처 지에 외계 행성 중 최초로 대기에 유기 분자가 발견되었다는 내용이 실렸다. 이 행성의 대기에서 물이 검출된 적 있으나, 이 발견을 통해 물뿐 아니라 메테인도 가스 행성 대기에 존재함을 입증했다. b의 환경은 생명체가 살기에는 가혹하지만, 외계 행성에도 유기 생명체가 존재할 가능성을 열어주었다.[488]
;2008년 - HD 40307: 6월 16일 마이클 메이어는 분광형 K의 오렌지색 주계열성 HD 40307을 도는 슈퍼지구 3개를 한번에 발견했다고 발표했다. 이들의 질량은 지구 질량의 4 ~ 9배였으며, 공전 주기는 4 ~ 20일 사이였다. 이 발견은 가스 행성 없이 암석 행성만으로 이루어진 외계 태양계도 있다는 사실을 알려주었다. 칠레 라 실라 천문대에 있는 HARPS 분광사진기를 통해 발견했다.[489] 이 세 행성은 HARPS 분광사진기를 통해 발견한 45개 외계 행성 후보 중 2008년 5월 28일 발견된 7개 내에 포함된 것들이었다. 이 발견으로 외계 슈퍼지구의 숫자는 크게 늘었다. 천문학자들은 이런 질량 작은 행성들의 수는 목성과 같은 가스 행성의 세 배 규모로 존재할 것으로 추측하고 있다.[490]
;2008년 - 포말하우트 b: 11월 13일 미국 항공우주국과 로렌스 리버모어 국립천문대는 A 분광형의 주계열성 포말하우트 주위에 있는 먼지 원반을 관측한 결과 외계 행성 한 개를 발견했다고 발표했다. 이는 광학 망원경을 통해 직접 사진으로 담은 최초의 사례이다.[491] 포말하우트 b의 질량은 목성의 3배 정도일 것으로 예측된다.[492][493]
;2008년 - HR 8799: 11월 13일, HR 8799 주위를 도는 외계 행성 세 개가 한꺼번에 발견되었다. 이들 역시 사진을 찍어 발견했으며, 여러 개의 행성을 동시에 사진에 담은 최초의 사례였다. 캐나다 허즈버그 천체물리학재단 소속 크리스찬 매로이스 연구진이 하와이 소재 제미니 망원경과 켁 망원경을 통해 발견했다. 2007년 10월 17일 이들은 항성 근처에서 제미니 망원경을 이용하여 행성 두 개의 존재를 확인했다. 이후 2007년 10월 25일 및 2008년 여름 이들은 먼저 발견된 행성 두 개의 존재를 검증했으며, 켁 망원경의 화상을 통해 추가로 항성에 보다 가까이 붙어 있는 세 번째 행성의 존재도 확인했다. 2004년 켁 망원경으로 얻은 자료를 통해 사진에 나타난 천체 셋은 행성이 맞음을 검증했다. 이들의 질량 및 항성으로부터의 거리는 각각 10 MJ - 24AU, 10 MJ - 38AU, 7 MJ - 68AU이었다.[493][494][495]
;2008년 - 처녀자리 HW b, 처녀자리 HW c: 11월 24일, 쌍성 주위를 도는 두 개의 외계 행성이 발견되었다. 한국천문연구원은 이재우, 김승리 박사와 충북대학교 김천휘 교수 등 국내외 학자 7명으로 이루어진 연구팀이 두 별로 이뤄진 쌍성 주위에서 공전하고 있는 2개의 외계행성을 세계 최초로 발견했다고 발표했다. 이 두 행성은 9.1년과 15.8년 주기로 쌍성계의 질량중심 주위를 공전한다. 행성들의 질량은 각각 목성의 8.5배와 19.2배이고, 표면온도는 각각 영하 3도와 영하 43도로 추정된다.
;2009년 - 글리제 581 e: 4월 21일 유럽 우주국은 적색 왜성 글리제 581 주위를 도는 네 번째 행성을 발견했다고 발표했다. 이 행성의 최소 질량은 지구 질량의 1.94배였으며 항성에서는 수성~태양의 10분의 1도 안 되는 거리인 0.03AU만큼 떨어져 있었다. 질량과 항성과의 거리로 볼 때 표면은 건조하게 말라 있을 것으로 추측되며, 생명체가 존재할 환경은 아닐 것으로 추측된다.[496] 하지만 이 행성의 존재는 지구와 유사한 행성이 우주에 흔할 것이라는 판단을 가능하게 한다.[498]
;2013년 - 케플러 70 b: B형 준왜성인 케플러 70의 주위를 0.006AU 떨어져 돌고 있는 외계 행성이다. 지나칠 정도로 가까운 거리 때문에 행성은 극단적으로 작열하며, 표면온도가 7178K에 육박한다.
;2017년 - NGTS-1b:NGT-1을 공전하는 외계 행성이다. 45610000km 떨어진 상태로 모항성을 공전하고 있으며, 모항성의 질량이 행성의 50% 정도로, 목성형 행성이 자신의 절반 정도 되는 작은 항성을 공전하는 것은 이번 발견 사례가 처음이다.
8. 외계 생명체의 발견 가능성
외계 행성에 대한 연구가 심화되면서, 어떤 조건의 행성에서 외계 생명체들이 존재할지에 대한 의문도 커져 왔다. 관측 기술이 정교해지면서 가스행성 뿐 아니라 보다 작은 질량의 행성들을 탐지할 수 있게 되었다. 현재 보통의 별 주위를 도는 행성들 중 지구의 수 배 질량 정도의 행성까지 찾아내는 수준에 이르렀다. 이는 지구와 같이 생명체가 존재하는 행성이 있을 것이라는 논리를 가능하게 해 준다.[498]
2007년 발견된 글리제 581 d의 경우 항성과의 거리가 너무 멀어 바다가 존재할 수 없을 것으로 생각했으나, 2009년 프랑스 그르노블 천문대의 과학자들에 의해 생물권 범위 내에서 공전하고 있는 것으로 새롭게 밝혀졌다.
주계열성 주변의 생물권은 행성 표면에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도, 즉 물이 증발할 정도로 별에 너무 가깝지도 않고 물이 얼 정도로 별에서 너무 멀지도 않은 구역을 말한다. 별이 생성하는 열은 별의 크기와 나이에 따라 다르므로 생물권은 별에 따라 다른 거리에 위치할 수 있다. 또한, 행성의 대기 조건은 행성이 열을 유지하는 능력에 영향을 미치므로 생물권의 위치는 각 행성의 유형에 따라 다르다. 물이 거의 없는 사막 행성(건조 행성이라고도 함)은 지구보다 대기 중 수증기가 적으므로 온실 효과가 감소하여 사막 행성이 태양에서 지구보다 별에 더 가까운 곳에 물의 오아시스를 유지할 수 있다. 물이 부족하다는 것은 또한 열을 우주로 반사할 얼음이 적다는 것을 의미하므로 사막 행성 생물권의 바깥쪽 가장자리는 더 멀리 떨어져 있다.[186][187] 두꺼운 수소 대기를 가진 암석 행성은 지구와 태양의 거리보다 훨씬 더 먼 거리에서 표면의 물을 유지할 수 있다.[188] 질량이 더 큰 행성은 중력이 물 구름 기둥 깊이를 줄여 수증기의 온실 효과를 줄여 생물권의 안쪽 가장자리를 별에 더 가깝게 이동시키기 때문에 더 넓은 생물권을 갖는다.[189]
행성의 자전 속도는 대기 순환과 이에 따른 구름 패턴을 결정하는 주요 요인 중 하나이다. 천천히 자전하는 행성은 두꺼운 구름을 생성하여 반사를 더 많이 하므로 별에 훨씬 더 가까운 곳에서 생존이 가능하다. 현재 대기를 가진 지구는 금성의 느린 자전을 가지고 있다면 금성의 궤도에서 생존이 가능할 것이다. 만약 금성이 폭주 온실 효과로 인해 물 바다를 잃었다면 과거에 더 높은 자전 속도를 가졌을 가능성이 높다. 또는 금성은 생성 과정에서 수증기가 우주로 유실되었기 때문에 바다가 없었고 [190] 역사 전체에 걸쳐 느린 자전을 가졌을 수도 있다.[191]
조석 고정 행성 (일명 "눈알" 행성[192])은 구름의 효과로 인해 이전보다 별에 더 가까운 곳에서 생존이 가능할 수 있다. 별의 플럭스가 높으면 강한 대류가 부별점 근처에 두꺼운 물 구름을 생성하여 행성 알베도를 크게 증가시키고 표면 온도를 낮춘다.[193]
금속 함량이 낮은 별의 생물권에 있는 행성은 금속 함량이 높은 별보다 복잡한 육상 생명체에 더 적합한데, 그 이유는 금속 함량이 높은 별의 별 스펙트럼이 오존 형성을 덜 유발하여 더 많은 자외선이 행성 표면에 도달할 수 있기 때문이다.[194][195]
생물권은 일반적으로 표면 온도를 기준으로 정의되었지만, 지구 생물량의 절반 이상이 지하 미생물에서 비롯되며,[196] 온도는 깊이에 따라 증가하므로, 표면이 얼어 있을 때 지하가 미생물 생명체에 적합할 수 있으며, 이를 고려할 경우 생물권은 별에서 훨씬 더 멀리 확장될 수 있다.[197] 심지어 떠돌이 행성도 지하 깊이가 충분하면 액체 물을 가질 수 있다.[198]우주의 초기 시대에는 우주 마이크로파 배경의 온도가 존재했던 모든 암석 행성이 별과의 거리에 관계없이 표면에 액체 물을 가질 수 있도록 했을 것이다.[199] 목성형 행성은 생존 가능성이 없을 수 있지만 생존 가능한 위성을 가질 수 있다.[200]
2015년의 한 검토에서는 외계 행성 케플러-62f, 케플러-186f 및 케플러-442b를 생명 가능성이 있는 최고의 후보로 확인했다.[209] 이들은 각각 1,200, 490, 1,120 광년 거리에 있다. 이들 중 케플러-186f는 지구 크기와 유사하며 지구 반지름의 1.2배이며, 적색 왜성 주위의 생명 가능 영역 바깥쪽에 위치해 있다.
가장 가까운 지구형 외계 행성 후보를 살펴보면, 프록시마 센타우리 b는 약 4.2 광년 떨어져 있다. 평형 온도는 -39°C로 추정된다.[210]
2013년 11월, 우리 은하에 있는 태양과 유사한 별[7]의 22±8%가 생물권[9] 내에 지구 크기[8]의 행성을 가질 수 있다고 추정되었다.[10][120] 우리 은하에 2,000억 개의 별이 있다고 가정하면,[12] 잠재적으로 생명체 거주 가능성이 있는 지구형 행성은 110억 개가 되며, 적색 왜성을 포함하면 400억 개로 늘어난다.[13]
케플러-186f는 2014년 4월에 보고된, 적색 왜성의 생물권 내에 있는 지구 반지름의 1.2배 크기의 행성이다.
프록시마 켄타우리 b는 태양계에서 가장 가까운 별인 프록시마 켄타우리의 생물권 내에 있는 행성으로, 추정되는 최소 질량은 지구 질량의 1.27배이다.
2013년 2월, 연구자들은 작은 적색 왜성의 최대 6%가 지구 크기의 행성을 가질 수 있다고 추정했다. 이는 태양계에서 가장 가까운 행성이 13 광년 떨어져 있을 수 있음을 시사한다. 95% 신뢰 구간을 사용하면 추정 거리는 21 광년으로 증가한다.[211] 2013년 3월, 수정된 추정치는 적색 왜성의 생물권 내에 있는 지구 크기 행성의 발생률을 50%로 제시했다.[212]
지구 반지름의 1.63배인 케플러-452b는 G2형태양형별 주변의 생물권에서 발견된 최초의 지구 근사 크기 행성이다 (2015년 7월).[213]
조석 고정되어 자전 주기와 공전 주기의 비가 1:1(자전 및 공전 동기)인 행성은 한쪽 면은 항상 주성을 향하므로 고온이 되고, 다른 한쪽 면은 빛이 닿지 않아 차갑게 얼어붙을 것이다. 생물권 내에 있는 행성의 경우, 행성의 주성을 향하는 쪽에만 물이 존재하고 다른 쪽에서는 물이 얼음으로 존재하기 때문에, 그러한 행성은 외관이 안구처럼 보일 수 있다(아이볼 지구).[410][411] 한편, 타원 궤도로 공전하는 행성의 경우, 자전 주기와 공전 주기의 비가 3:2 또는 5:2이면 행성의 양면에 고온의 영역이 발생하여 안구처럼 보이는 부분이 2개 형성될 수 있다.[412] 타원 궤도에서, 게다가 자전축이 기울어져 있는 경우, 일사 패턴은 더욱 복잡해진다.[413]
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