OGLE-2005-BLG-169Lb : 미세중력렌즈를 이용하여 찾아낸 천왕성 크기의 외계행성

Credit: NASA, ESA, D. Bennett (University of Notre Dame), Wiggle Puppy Productions, and G. Bacon (STScI)

동영상 설명>

이 동영상은 별 하나가 멀리 떨어진 별의 전면을 정확하게 지나가는 22년간의 여정을 담고있다.
모든 별은 우주 공간을 떠돈다. 그리고 가끔 어떤 별은 훨씬 멀리 떨어져 있는 다른 별 앞에 정확히 도열하곤 한다.
이 순간적인 정렬은 뒷편의 별로부터 오는 빛을 확대하고 훨씬 밝게 만드는, 미세중력렌즈현상(gravitational microlensing)이라 불리는 효과를 만들어낸다.

2005년 4월, 지상에 위치한 미세중력렌즈 탐사기가 멀리 떨어진 별 앞에 정확하게 정렬해 선 하나의 별을 감지해냈다.

뒷편에 위치하는 별로부터 오는 빛은 짧은 순간, 행성이 없었다면 발생했을 빛보다 2퍼센트 정도 더 어두워졌다가 다시 밝아졌다.

이 행성계는 OGLE-2005-BLG-169L로 등재되어 있다.

동영상은 앞쪽의 별이 지나간 이후의 모습도 계속 보여준다.

2011년 4월에 수행된 허블우주망원경 관측을 통해 천문학자들은 앞쪽 별과 뒷쪽 별의 빛을 분리할 수 있었다.

미세중력렌즈의 행성계 모델은 배경으로 위치하는  별에 대해 앞쪽에 위치한 별과 행성의 비율을 예견하고 있는데, 허블우주망원경의 관측을 통해 이러한 예측치를 확정할 수 있었다.  

천문학자들은 행성을 거느리고 있는 별의 밝기 측정치와 중력렌즈에 의해 휘어진 빛의 모델을 조합하여, 앞쪽에 위치하는 별과 행성의 질량을 계산해낼 수 있었다.

 

 

미세중력렌즈를 이용하여 찾아낸 천왕성 크기의 외계행성

 

허블우주망원경과 W.M.켁 천문대에서 각각 독자적 관측을 통해 자신의 별로부터 멀리 떨어진 채 공전하는 외계행성을 찾아냈다.

이 행성은 '미세중력렌즈(gravitational microlensing)'라 불리는 기술을 통해 발견되었다.

 

이번에 발견된 행성은 태양계의 목성이나 토성처럼 자신의 행성에서 멀리 떨어진 지역에서 발견되었기 때문에 외계행성 탐사에 있어 새로운 장을 연 것이라 할 수 있다.

 

허블우주망원경과 켁 망원경의 관측 결과는 아스트로피지컬 저널 2015년 7월 30일 판에 두 개의 논문으로 개재되었다.

 

지금까지 발견된 외계행성은 자신의 별에 매우 가깝게 붙어 있는 행성들이 대종을 이룬다.
이는 현재 사용되는 외계행성탐사 기술이, 짧은 공전주기를 가지고 있는 행성 탐사에 적합하기 때문이다.

 

그러나 미세중력렌즈를 활용한 기술은 다른 방법으로는 탐사해 낼 수 없는, 자신의 별로부터 훨씬 멀리 떨어져 긴 주기의 공전궤도를 갖는 비교적 차가운 행성들도 발견해낼 수 있다.

 

미세중력렌즈 현상은 앞쪽에 위치한 별이 뒷편의 별과 일시적으로 일직선 상에 정렬될 때 뒷편의 별로부터 온 빛이 확대되는 현상을 말한다.

그런데 만약 이때 앞쪽에 있는 별이 행성을 가지고 있다면 별에 비교해서는 대단히 짧은 순간이긴 하지만 이 행성 역시 뒷편의 별로부터 발생한 빛을 확대시키게 된다.

 

이러한 현상이 발생하는 시간을 정확하게 측정하고 확대된 빛의 양을 측정하면 앞쪽에 위치한 별의 특성과 여기에 함께 자리잡고 있는 행성의 특성에 대한 단서를 얻게 된다.

 

OGLE-2005-BLG-169로 등재되어 있는 이 행성계는 2005년 OGLE (광학중력렌즈실험, the Optical Gravitational Lensing Experiment ) 프로젝트와  미세중력렌즈후속네트워크(the Microlensing Follow-Up Network, 이하 MicroFUN), 그리고 미세중력렌즈를 통해 외계행성탐사를 수행하고 있는 모임인 미세중력렌즈관측을 위한 천체물리학 협력체(the Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) collaborations)에 의해 발견되었다.

 

그런데 앞쪽에서 미세중력렌즈현상을 만들어내는 별의 특성을 결정짓지 않고서는 이 별에 수반된 행성의 구체적인 속성을 결정하기가 매우 어렵다.

 

허블우주망원경과 켁 천문대에서는 천문학자들로 구성된 두 개 연구팀의 연구를 통해 이 행성계가 별로부터 5억9천2백만 킬로미터 거리에서 공전하는 천왕성 크기의 행성으로 구성되어 있음을 알아냈다.
이 거리는 태양과 목성 거리보다 약간 짧은 거리이다.

 

이 행성계를 거느린 별의 질량은 태양 질량 대비 70% 수준이다.

 

허블 데이터 분석을 담당한 팀의 리더인 인디애나 노트르담 대학의 데이비드 베넷( David Bennett ) 의 설명은 다음과 같다.
 "이러한 정렬은 백만 년에 한 번 보일까 말까 할 정도로 정말 드문 기회입니다. 따라서 행성에 의한 미세중력렌즈 신호를 확정하기 위해서는 정말 오랜동안의 기다림이 필요할 것으로 생각되었습니다. 다행히도 행성이 존재할 때 예측된 신호는 뒷편에 위치한 별과 앞쪽에 행성을 거느리고 있는 별의 겉보기 위치가 얼마나 빠르게 멀어지게 될지를 예견하였고, 우리는 관측을 통해 이 예상치를 확정할 수 있었습니다. 따라서 허블과 켁의 관측 데이터는 행성이 만들어내는 미세중력렌즈신호를 최초로 확정한 사례라 할 수 있습니다."

 

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

표1>

이 표는 앞쪽의 별 하나가 멀리 떨어진 별의 전면을 지날때 이 별의 빛이 어떻게 확대되고 밝아져보이는가를 묘사한 것이다.

만약 앞쪽에 위치하는 별에 행성이 있다면 이 행성 역시 뒷편에 위치하는 별의 빛을 확대하는 작용을 하게 된다.
물론 그 기간은 자신의 별에 비해 대단히 짧은 순간이다.

천문학자들은 미세중력렌즈 현상이라 불리는 이 기술을 이용하여 외계행성을 찾게 된다.

 

 

사실 미세중력렌즈 현상은 대부분의 망원경으로는 보이지조차 않는 별에서 행성을 찾아낼 수 있을만큼 강력한 기재이다.

 

켁 천문대의 데이터 분석을 이끈 프랑스 파리 천체물리 연구소 비르지니 바티스타( Virginie Batista )의 설명은 다음과 같다.
"우리가 눈에 보이지도 않는 별 주위를 도는 행성을 탐사할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일입니다.
우리는 행성이 공전하는 이 별에 대해서도 무언가를 알고 싶어했죠.
켁 망원경과 허블우주망원경은 우리로 하여금 행성계를 거느린 이 희미한 별들을 감지하고 그 속성을 결정할 수 있게 해주었습니다."
 
행성은 자신의 별에 비해 훨씬 작고 훨씬 희미하다.
태양계 바깥에서 직접적으로 관측 가능한 행성은 정말 얼마되지 않는다.

 

따라서 천문학자들은 이러한 외계행성을 찾아내는데 두 가지 간접적인 방법을 사용하곤 한다.
첫번째는 이 행성들이 자신의 별에 끼치는 미묘한 중력작용을 감지하는 방법이며, 또 다른 하나는 행성이 자신의 별 전면을 지날 때 별의 총 밝기가 미묘하게 떨어지는 양상을 관측하는 것이다.

 

이 두 가지 방법은 모두 행성의 규모가 크면 클수록 그리고 자신의 별에 가까이 위치하면 할수록 최상의 성과를 내는 기술들이다.
이 기술을 활용하는 경우 공전주기가 대략 몇 시간에서 최대 2년 정도 되는, 비교적 짧은 공전주기를 가진 행성에서 믿을만한 측정치를 도출하게 된다.

 

그러나 이 머나먼 행성계의 구조를 완전히 이해하기 위해서는 별 주위 행성들의 전체적인 분포 양상을 반드시 알아내야 한다.
따라서 천문학자들은 별로부터 멀리까지, 대략 태양에서 목성정도 까지의 거리 또는 그 이상을 바라봐야 할 필요가 있다.

 

연구팀의 일원인 우주망원경과학연구소 제이 앤더슨( Jay Anderson )의 설명은 다음과 같다.
"태양계와 비교할 때 이 행성계가 어떠한지를 이해하는 것이 중요합니다.
 따라서 우리는 이 행성계의 행성들에 대한 완전한 합의를 이루어야 하죠.
 미세중력렌즈야말로 행성 형성에 대한 이론적 통찰을 얻는데 핵심적인 도움을 주고 있는 것입니다."

 

OGLE이 발견한 행성계의 행성은 아마도 "실패한 목성"에 해당하는 행성일 것으로 보인다.
이 범주에 해당하는 행성은 목성의 핵처럼 지구 질량의 10배 정도 되는 암석 및 얼음의 핵을 가지고 형성되기 시작했으나 빠르게 자라지는 못하여 충분한 수소와 헬륨을 쌓아올리지는 못한 행성을 말한다.

따라서 여기에 해당하는 행성은 목성 대비 20배 정도 적은 질량까지만을 보유하게 된다.

 

베넷의 설명은 다음과 같다.
"가장 많이 선호되는 행성 형성 이론에 따르면  OGLE-2005-BLG-169Lb와 같은 실패한 목성형 행성은 목성보다 더 일반적으로 존재하는 행성일 것으로 생각됩니다. 특히 태양보다 적은 질량의 별 주위에서는 더더욱 그렇죠. 따라서 이러한 유형의 행성이야말로 대단히 일반적인 유형의 행성일 것으로 생각되고 있죠."

 

미세중력렌즈 현상은 매우 정밀한 측정 없이는 알아챌 수 없을 정도로 미약하게 나타나는 별들의 예상치 못한 움직임도 파악해 낼 수 있다.
그런데 어떤 하나의 별이 멀리 떨어진 배경 별에 대해 거의 정확하게 한복판을 통과하게 되면 앞쪽의 있는 별은 마치 거대 중력렌즈처럼 작용하여 뒷편의 별로부터 오는 빛을 증폭시킬 수 있게 된다.

 

이때 전면에 위치하는 별 주위에 존재하는 행성들 역시 배경 별에서 나오는 빛의 밝기에 다양한 변주를 만들어내게 된다.
이러한 밝기의 요동은 간혹 너무나 희미한 행성을 망원경을 이용해 포착할 수 있게 만들어 주기도 한다.

미세중력렌즈 현상이 일어나는 전체 기간은 몇 달 정도 수준임에 반해 행성으로 인해 별의 밝기변화가 나타나는 기간은 몇 시간에서 최대 이틀 정도이다.

 

OGLE-2005-BLG-169 에 대한 처음 미세중력렌즈 데이터는 앞뒷편의 별들과 행성들의 데이터가 모두 뒤섞여 있는 상태였다.

게다가 지구 대기의 어른거리는 효과 때문에 실제로는 전혀 상관없는 별들도  미리내 중심방향의 별들이 가득 들어찬 지역을 배경으로 한 관측 데이터에서 모두 함게 뒤섞여 있다.

 

그러나 허블과 켁 망원경의 고해상도 관측 능력은 과학자들로 하여금 미리내 방향으로 별들이 빽빽하게 몰려 있는 곳에 함께 존재하는 별로부 미세중력렌즈 현상에서 배경에 해당하는 별을 분리할 수 있게 해 주었다.

 

비록 허블우주망원경이 촬영한 사진들은 실제 미세중력렌즈 현상이 발생하고 나서 6.5년이 지난 후 촬영되었지만 렌즈역할을 수행하는 별과 이로서 빛이 확대된 별들 모두 하늘에서 매우 가깝게 붙어 있어 마치 타원형의 별처럼 사진에서는 하나로 합쳐져서 나타났다.

 

천문학자들은 이 사진으로부터 행성을 거느리고 있는 별과 별빛이 확대되어 나타나는 별 모두의 밝기를 측정할 수 있었다.

미세중력렌즈로부터 나타나는 뒷편 별빛의 밝기 곡선에 대한 정보와 렌즈 작용을 하고 있는 별의 밝기에 대한 데이터를 함께 이용하면 총 질량과 함께 별과 행성이 얼마나 떨어져 있는지, 그리고 해당 행성계가 지구로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 알 수 있게 된다.

 

또한 앞뒤로 나란히 선 별들을 허블 WFC3의 서로 다른 대역으로 관측한 결과 그 질량과 거리를 독자적으로 확정할 수 있었다.

 

켁2 망원경에 탑재된 근적외선 카메라2(the Near Infrared Camera 2, 이하 NIRC2)를 이용한 관측 결과는 앞뒤로 나란히 선 두 별의 상대적인 움직임을 정밀하게 측정할 수 있도록 해주었다.

 

바티스타의 소감은 다음과 같다.
"미세중력렌즈 현상이 발생한 후 우리가 중력렌즈로 작용한 별과 중력렌즈에 의해 확대된 별을 완전하게 구분해 내기는 이번이 처음입니다.
 이를 통해 우리는 미세중력렌즈에 의해 나타나는 빛의 곡선 데이터에 딱 맞아드는 두 가지 모델간의 차이를 구분할 수 있게 되었죠."
 
허블과 켁망원경의 데이터는  NASA가 계획하고 있는 우주공간에서의 광대역 적외선탐사망원경(Wide-Field Infrared Survey Telescope, 이하 WFIRST)을 이용한 외계행성 탐사의 주요 방법에 대한 개념적 증거를 제공하고 있다.
이를 통해 천문학자들은 미세중력렌즈를 이용하여 찾아낸 행성들의 질량을 결정할 수 있게 될 것이다.

WFIRST는 허블우주망원경 만큼의 해상도를 가지고 미세중력렌즈 기술을 활용하여 외계행성을 탐사하게 될 것이다.

이 망원경은 미세중력렌즈 현상이 일어나기 전 배경 별에 다가서는 행성을 거느린 별과 미세중력렌즈 현상이 발생한 후 배경 별로부터 빠져나오는 모습을 관측할 수 있게 될 것이며

 

베넷의 설명은 다음과 같다.
"WFIRST는 우리가 OGLE-2005-BLG-169에서 수행해 낸것과 같은 측정을 미세중력렌즈 현상을 발생시키는 모든 외계행성계의 관측을 통해 이뤄낼 수 있게 될 것입니다. 따라서 우리는 WFIRST에 의해 발견된 수천 개 행성들에 대한 거리와 질량을 알게 될 것입니다."
 

출처 : 허블사이트 2015년 7월 30일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/27/full/

 

참고 : OGLE-2005-BLG-169Lb를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
          https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-27

Telescopes Team Up to Find Distant Uranus-Sized Planet Through Microlensing

NASA's Hubble Space Telescope and the W. M. Keck Observatory in Hawaii have made independent confirmations of an exoplanet orbiting far from its central star. The planet was discovered through a technique called gravitational microlensing.

This finding opens a new piece of discovery space in the extrasolar planet hunt: to uncover planets as far from their central stars as Jupiter and Saturn are from our sun. The Hubble and Keck Observatory results will appear in two papers in the July 30 edition of The Astrophysical Journal.

The large majority of exoplanets cataloged so far are very close to their host stars because several current planet-hunting techniques favor finding planets in short-period orbits. But this is not the case with the microlensing technique, which can find more distant and colder planets in long-period orbits that other methods cannot detect.

Microlensing occurs when a foreground star amplifies the light of a background star that momentarily aligns with it. If the foreground star has planets, then the planets may also amplify the light of the background star, but for a much shorter period of time than their host star. The exact timing and amount of light amplification can reveal clues to the nature of the foreground star and its accompanying planets.

The system, cataloged as OGLE-2005-BLG-169, was discovered in 2005 by the Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), the Microlensing Follow-Up Network (MicroFUN), and members of the Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) collaborations — groups that search for extrasolar planets through gravitational microlensing.

Without conclusively identifying and characterizing the foreground star, however, astronomers have had a difficult time determining the properties of the accompanying planet. Using Hubble and the Keck Observatory, two teams of astronomers have now found that the system consists of a Uranus-sized planet orbiting about 370 million miles from its parent star, slightly less than the distance between Jupiter and the sun. The host star, however, is about 70 percent as massive as our sun.

"These chance alignments are rare, occurring only about once every 1 million years for a given planet, so it was thought that a very long wait would be required before the planetary microlensing signal could be confirmed," said David Bennett of the University of Notre Dame, Indiana, the lead of the team that analyzed the Hubble data. "Fortunately, the planetary signal predicts how fast the apparent positions of the background star and planetary host star will separate, and our observations have confirmed this prediction. The Hubble and Keck Observatory data, therefore, provide the first confirmation of a planetary microlensing signal."

In fact, microlensing is such a powerful tool that it can uncover planets whose host stars cannot be seen by most telescopes. "It is remarkable that we can detect planets orbiting unseen stars, but we'd really like to know something about the stars that these planets orbit," explained Virginie Batista of the Institut d'Astrophysique de Paris, France, leader of the Keck Observatory analysis. "The Keck and Hubble telescopes allow us to detect these faint planetary host stars and determine their properties."

Planets are small and faint compared to their host stars; only a few have been observed directly outside our solar system. Astronomers often rely on two indirect techniques to hunt for extrasolar planets. The first method detects planets by the subtle gravitational tug they give to their host stars. In another method, astronomers watch for small dips in the amount of light from a star as a planet passes in front of it.

Both of these techniques work best when the planets are either extremely massive or when they orbit very close to their parent stars. In these cases, astronomers can reliably determine their short orbital periods, ranging from hours to days to a couple years.

But to fully understand the architecture of distant planetary systems, astronomers must map the entire distribution of planets around a star. Astronomers, therefore, need to look farther away from the star-from about the distance of Jupiter is from our sun, and beyond.

"It's important to understand how these systems compare with our solar system," said team member Jay Anderson of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. "So we need a complete census of planets in these systems. Gravitational microlensing is critical in helping astronomers gain insights into planetary formation theories."

The planet in the OGLE system is probably an example of a "failed-Jupiter" planet, an object that begins to form a Jupiter-like core of rock and ice weighing around 10 Earth masses, but it doesn't grow fast enough to accrete a significant mass of hydrogen and helium. So it ends up with a mass more than 20 times smaller than that of Jupiter. "Failed-Jupiter planets, like OGLE-2005-BLG-169Lb, are predicted to be more common than Jupiters, especially around stars less massive than the sun, according to the preferred theory of planet formation. So this type of planet is thought to be quite common," Bennett said.

Microlensing takes advantage of the random motion of stars, which are generally too small to be noticed without precise measurements. If one star, however, passes nearly precisely in front of a farther background star, the gravity of the foreground star acts like a giant lens, magnifying the light from the background star.

A planetary companion around the foreground star can produce a variation in the brightening of the background star. This brightening fluctuation can reveal the planet, which can be too faint, in some cases, to be seen by telescopes. The duration of an entire microlensing event is several months, while the variation in brightening due to a planet lasts a few hours to a couple of days.

The initial microlensing data of OGLE-2005-BLG-169 had indicated a combined system of foreground and background stars plus a planet. But due to the blurring effects of our atmosphere, a number of unrelated stars are also blended with the foreground and background stars in the very crowded star field in the direction of our galaxy's center.

The sharp Hubble and Keck Observatory images allowed the research teams to separate out the background source star from its neighbors in the very crowded star field in the direction of our galaxy's center. Although the Hubble images were taken 6.5 years after the lensing event, the source and lens star were still so close together on the sky that their images merged into what looked like an elongated stellar image.

Astronomers can measure the brightness of both the source and planetary host stars from the elongated image. When combined with the information from the microlensing light curve, the lens brightness reveals the masses and orbital separation of the planet and its host star, as well as the distance of the planetary system from Earth. The foreground and background stars were observed in several different colors with Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3), allowing independent confirmations of the mass and distance determinations.

The observations, taken with the Near Infrared Camera 2 (NIRC2) on the Keck 2 telescope more than eight years after the microlensing event, provided a precise measurement of the foreground and background stars' relative motion. "It is the first time we were able to completely resolve the source star and the lensing star after a microlensing event. This enabled us to discriminate between two models that fit the data of the microlensing light curve," Batista said.

The Hubble and Keck Observatory data are providing proof of concept for the primary method of exoplanet detection that will be used by NASA's planned, space-based Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), which will allow astronomers to determine the masses of planets found with microlensing. WFIRST will have Hubble's sharpness to search for exoplanets using the microlensing technique. The telescope will be able to observe foreground, planetary host stars approaching the background source stars prior to the microlensing events, and receding from the background source stars after the microlensing events.

"WFIRST will make measurements like we have made for OGLE-2005-BLG-169 for virtually all the planetary microlensing events it observes. We'll know the masses and distances for the thousands of planets discovered by WFIRST," Bennett explained.

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