(5) 외계행성계 탐사와 외계생명체 탐사-외계행성계 탐사 방법을 설명할 수 있다.- 지금까지 발견된 외계 행성계의 특징을 설명할 수 있다.- 외계 생명체가 존재할 수 있는 행성의 일반적인 조건을 설명할 수 있다.- 외계 생명체 탐사의 의의를 설명할 수 있다.
헤마우마 이번 소단원에서는 ‘우주행성계 탐사와 외계 생명체 탐사’에 대해 배우게 됩니다. 이전 교육과정에서 1번 문항으로 자주 출제되었던 외계생명체 탐사와 간단한 특징을 묻는 형식으로 출제되는 외계행성계 탐사과정의 내용이 조금 심화되어 넘어가게 되었습니다. 특히 외계행성계 탐사의 경우 물리적 지식이 있으면 이해하기 쉬우므로 서술 중심의 물리 개념과 함께 해설을 진행하도록 하겠습니다.출제 유형
(왼쪽)2022학년도 고삼·6월 모의 평가 지구 과학 19번 문제(오른쪽)2022학년도 고삼·9월 모의 평가 지구 과학 118번 문제 그동안의 출제 유형은 우주 행성계의 탐사 과정에 대해서는 탐사 방법의 각각의 특징을 듣거나 우주 생명체 탐사에 대해서는 생명 지대에 대한 특징을 묻는 차원에서 출제되고 있습니다. 특히 외계 행성계의 탐사 과정에 대해서는 다소 헷갈리는 선지가 많이 나오기 때문에 외계 행성계의 궤도를 직접 그리며 풀 중요합니다.① 외계 행성계 탐사:외계 행성은 직접 관측하기가 어렵기 때문에 주로 간접적인 방법으로 탐사하게 됩니다. 그동안 외계 행성을 발견하는 데 가장 많이 이용된 방법은식 현상을 이용하는 것과 중심성의 시선 속도 변화를 이용한 방법입니다.-중심성의 시선 속도 변화를 이용하는 방법:모든 궤도 운동을 하는 천체는 하나의 천체를 기준으로 다른 천체가 공전하는 것이 아니라 공통 질량 중심을 기준으로 두 천체가 동시에 공전하게 됩니다. [참고 자료 1]
[참고 자료1] (왼쪽) 일반적으로 생각하는 공전 궤도, (오른쪽) 실제 공통 질량 중심을 기준으로 공전하는 궤도, 이러한 원인은 간단히 설명하면 뉴턴의 만유인력 법칙을 통해 알 수 있습니다. 모든 물체는 당기는 힘 ‘인력’이 존재하게 되므로 행성계에 대해 모 항성이 행성을 당기는 힘도 존재하지만 행성도 모 항성을 당기는 힘이 존재하기 때문에 공통 질량 중심이 생기게 됩니다. 이러한 공통 질량 중심에 의한 중심별의 시선 속도 변화는 두 천체의 물리적 성질(천체의 질량, 궤도 반경)에 따라 달라집니다. (1) 도플러 효과
【참고 자료 2】도플러 효과
【참고 자료 2】도플러 효과
【참고 자료 3】도플러 효과 2
㉠ 중심성이 가까이 다가올 때:중심성이 다가오자 파장이 짧아진 청색 편이 현상이 나타나고, 중심성의 시선 속도는 상대적으로 감소해서(-)를 보이게 된다, 행성은 하나도 없습니다.㉡ 중심성이 떠날 때:중심성이 멀어지면 파장이 길어지면 적색 한쪽 현상이 나타나고, 중심성의 시선 속도는 상대적으로 증가하므로(+)을 띠고 행성은 더 가까워집니다.(3)도플러 효과를 이용한 외계 행성계 탐사의 특징 ㉠ 궤도 반경이 일정 때 중심성의 질량이 작을수록 행성의 질량이 클수록 도플러 효과는 강해지게(=별의 편이 배출량은 증가한다=공통 질량 중심성에서 멀어지게 됩니다. $\combi{r}_{CM}=\dracbi<dracbi.c}_{m} 통질량 중심까지의 거리,$m=\행성의 질량,\M은\중심성의 질량,\d=2\천체의 사이의\거리$m=행성의 질량, M은 중심성의 질량, d=2개의 천체 간의 거리
물리적 계산에 따른 중심부에서 공통 질량 중심까지의 거리는 다음과 같이 유도할 수 있습니다. 어머니 항성의 질량이 감소할 정도로 행성의 질량이 증가할 정도로 중심부에서 공통 질량 중심까지의 거리가 증가하는 것으로 나타납니다. 이를 좀 더 쉽게 설명하면 아버지(중심성), 자녀(행성)이 두 손을 잡고 마주보고 다닌다고 가정하면 회전의 주도권은 체중이 많은 아버지가 갖고 있죠. 그러나 아버지 몸무게가 작아지고, 아이의 몸무게가 늘어나면 회전의 주도권은 아이들에 조금씩 바뀌어요.㉡ 중심성과 행성의 질량이 일정 때 궤도 반경이 작을수록 도플러 효과는 강한(=별빛의 편량은 증가하게=공통 질량 중심은 중심성에서 멀어지게) 됩니다.이런 상황은 상기의 관점과 다르기 때문에 상기의 공식은 사용할 수 없습니다. 이런 경우에는 케플러 제3법칙에 따르면 공전 주기의 제곱은 궤도장 반경의 세제곱 수이지만 이것은 궤도의 반경이 증가할 정도로 공전 주기가 증가하는 것을 의미합니다. ㉢ 중심성의 시선 속도의 변화를 이용하면, 중심성과 혹성의 질량을 알 수 있습니다.먼저, 2개의 공식은 중심성과 혹성의 질량을 이용하고 유도하는 공식이라 중심성의 시선 속도의 변화를 이용하면 2개의 천체의 질량을 알 수 있습니다.㉣ 행성의 공전 궤도면이 관측자의 시선 방향과 나란히 있는 경우에는 관측이 유리하고 수직에 가까운 경우에는 중심성의 시선 속도 변화가 거의 나타나지 않기 때문에 행성의 존재를 확인하는 것이 어려워집니다.㉤ 중심성의 시선 속도 변화를 이용하는 방법은 관측자와 별의 거리와 상관 없어요.-식 현상을 이용하는 방법:중심성 주위를 공전하는 행성에서 시암 빌딩의 전면을 지날 때, 중심성의 일부가 숨식 현상이 나타납니다. 식 현상에 따른 중심성의 밝기의 변화를 관측하고 행성의 존재를 확인할 수 있습니다.(1)식 현상을 이용한 외계 행성계 탐사의 특징
[참고 자료 4] 식현상을 이용한 외계행성계 탐사
㉠식 현상은 반경이 클수록 중심성이 행성에 묻혀면적이 크고 중심성의 밝기의 변화가 커서 행성의 존재를 확인하기 쉽습니다. 특히 행성의 중심성의 밝기 변화의 차이는 반경의 제곱 정도로 차이가 있습니다. 간단히 설명하면 A란 행성으로 중심 별의 밝기의 변화가 0.001% 줄었고 B란 행성으로 중심 별의 밝기의 변화가 0.004% 줄었다면 B행성은 A행성보다 반경이 2배 큰 것으로 나타납니다.㉡식 현상은 행성의 공전 주기가 빠를수록 행성의 존재를 확인하기 쉽습니다.㉢식 현상은 행성의 공전 궤도면이 관측자의 시선 방향과 나란히 있는 경우에는 관측이 유리하고 수직에 가까운 경우에는식 현상이 나타나지 않기 때문에 행성의 존재를 확인하기 어렵습니다.㉣ 행성의 공전 궤도면이 나란히 있어 중심성의 시선 속도의 변화와 생리 현상을 함께 관측하면, 행성의 밀도가 나타납니다. 이는 중심성의 시선 속도 변화를 통해서 행성의 질량을 알 수, 식 현상을 이용하고 행성의 반경을 알 수 있어 밀도를 알 수 있습니다.㉤식 현상을 이용하고 행성의 대기 성분을 관측할 수 있습니다. 이는 식 현상이 일어날 때 중심성에서 방출된 전자파가 행성의 대기를 통과하고 관측자에 오면 대기 성분에 의한 흡수선이 관측될 가능성이 있기 때문입니다.㉥식 현상은 행성의 질량과 관측자로부터의 거리와 상관 없어요.-미세 중력 현상을 이용하는 방법[참고 자료 5] 중력에 의한 공간 왜곡: 중력은 상대성 이론에 따르면 공간을 구부리는 성질을 가지고 있습니다. 이를 이용하면 거리가 다른 두 별이 같은 시선 방향에 있을 경우 뒤쪽 별의 별빛이 앞쪽 별의 중력에 의해 미세하게 굴절되어 휘어지면서 뒤쪽 별의 밝기가 변하는데, 이를 미세 중력 렌즈 현상이라고 합니다. 이때 앞쪽 별이 행성을 가지고 있으면 행성에 의한 미세 중력 렌즈 현상으로 뒤쪽 별의 밝기가 추가적으로 변화하는데, 이를 이용하여 앞쪽 별을 공전하는 행성의 존재를 확인할 수 있게 됩니다.【참고 자료 6】미세 중력 렌즈 현상(1)미세 중력 렌즈 현상을 이용한 외계 행성계 탐사의 특징 ㉠ 행성의 공전 궤도면이 관측자의 시선 방향과 나란히 있을 때뿐 아니라 수직 때도 행성의 미세 중력 렌즈 현상이 나타나서 행성의 존재를 확인할 수 있습니다.㉡ 질량이 작은 행성을 관측하는 데도 다른 관측 법에 의해서 상대적으로 유리합니다.㉢ 미소 중력 렌즈 현상은 드물게 발생하기 때문에 주기적인 관측이 어렵습니다.㉣ 미세 중력 렌즈 현상을 이용한 외계 행성계 탐사 방법은 외계 행성계를 직접 관측하는 것이 아니라 외계 행성계의 시선 방향의 후방에 위치한 별을 관측하고 알아내는 것입니다.㉤ 미세 중력 렌즈 현상은 공전 궤도 반경이 클수록 유리합니다.-직접 관측하는 방법:태양계에서 거리가 가까운 곳에 위치한 외계 행성계는 드물다 직접 관측할 수 있지만 직접 관측할 때는 행성의 밝기가 중심성에 비해서 매우 어둡고 중심성을 숨기고 행성을 직접 촬영하고 존재를 확인할 수 있습니다. 행성이 방출되는 에너지는 주로 장파 복사 형태로 이루어지기 때문에, 적외선 영역에서 촬영하게 됩니다.직접 관측하는 방법의 특징은 외계 행성계까지의 거리가 가까운, 행성의 반경이 크고 행성의 표면 온도가 높을수록 적외선의 강함이 강해서 직접 촬영하고 행성의 존재를 확인할 수 있고, 행성 대기를 통과한 빛을 분석하고 행성의 대기 성분을 볼 수 있습니다.-외행성계 탐사 방법에 의해서 발견된 행성의 특징[참고 자료7] 최근까지 발견한 외계행성계의 물리량: 단순하게 해석하는 자료이기 때문에 문제에 제시된 선지를 그대로 해석하는 것이 중요합니다. 대표적으로 중심별의 시선속도 변화를 이용한 것은 대부분 질량이 크고 식현상을 이용한 것은 공전궤도 반경이 작으며 미세중력렌즈 현상을 이용한 것은 공전궤도 반경이 크다는 것을 알 수 있습니다.현재까지 발견된 외계행성은 주로 목성형(기체로 이루어진 행성) 행성이 발견되었으나 현재는 생명체가 살기 좋은 지구형 행성을 주로 관측하려고 합니다.: 단순하게 해석하는 자료이기 때문에 문제에 제시된 선지를 그대로 해석하는 것이 중요합니다. 대표적으로 중심별의 시선속도 변화를 이용한 것은 대부분 질량이 크고 식현상을 이용한 것은 공전궤도 반경이 작으며 미세중력렌즈 현상을 이용한 것은 공전궤도 반경이 크다는 것을 알 수 있습니다.현재까지 발견된 외계행성은 주로 목성형(기체로 이루어진 행성) 행성이 발견되었으나 현재는 생명체가 살기 좋은 지구형 행성을 주로 관측하려고 합니다.