중력파로 외계행성 찾는다…LISA가 포착할 ‘별의 흔들림’

유승철 발행일 2026-11-11 14:04:25
NASA 연구진, 쌍백색왜성 신호에서 행성 흔적 탐색 제안
JWST 적외선 관측으로 교차 확인 구상…실제 발견은 아직
[데일리환경=유승철 기자] 중력파 신호의 미세한 흔들림을 분석해 쌍백색왜성 주변 외계행성을 찾는 방법이 제안됐다. NASA 연구진이 이끈 두 연구는 개발 중인 우주 관측소 LISA가 이런 행성을 찾아낼 가능성과 제임스웹우주망원경(JWST)으로 후보를 확인하는 방안을 제시했다. 실제 행성 발견을 보고한 연구는 아니다.
▲ NASA 고다드 우주비행센터 클린룸에서 LISA 망원경 시제품을 옮기는 기술자들, 2024년 5월 자료사진 (출처 : NASA/Dennis Henry)


NASA는 2026년 11월 10일 두 연구를 소개했다. 하나는 중력파의 주파수 변화에서 행성 신호를 찾는 방법을, 다른 하나는 적외선 관측과 천체 위치 측정을 결합해 후보를 확인하는 방안을 다뤘다. 연구진은 빛 대신 중력파를 이용하는 탐색이 기존 외계행성 관측과 다른 창을 열 수 있다고 설명했다.

쌍백색왜성은 별의 진화 뒤 남는 백색왜성 두 개가 가까운 궤도를 도는 계다. 두 천체가 서로 돌면 규칙적인 중력파를 낸다. 이 쌍성 주위에 행성이 있으면 행성의 중력이 쌍성 전체를 조금씩 움직인다. 지구에서 관측되는 쌍성의 운동이 달라지면서 중력파의 주파수에도 주기적인 흔적이 생길 수 있다. 연구진은 주된 신호 양옆에 나타나는 작은 주파수 성분, 이른바 측파대를 행성 탐지 단서로 제시했다.


여기서 행성이 직접 강한 중력파를 내야 하는 것은 아니다. 행성이 쌍백색왜성 전체의 움직임에 영향을 주면, 두 별이 내는 중력파의 관측 주파수에도 작은 변화가 생길 수 있다는 뜻이다. 다만 이런 신호를 행성의 흔적으로 판단하려면 다른 원인에 따른 주파수 변화와 관측 잡음을 구별해야 한다. 따라서 주파수 변화가 반복적으로 나타나는지, 쌍성의 운동과 들어맞는지도 검토해야 한다.

원리는 별빛의 도플러 변화를 보는 시선속도법과 닮았다. 행성이 별을 끌어당겨 별이 흔들리면 별빛의 파장이 주기적으로 변한다. 이번 방식에서는 행성이 쌍백색왜성의 질량중심 운동을 바꾸고, 그 움직임이 중력파에 반영된다. 연구진은 이를 중력파 시선속도법으로 설명했다.

중력파 신호만으로 행성의 존재를 가리기 어려울 수 있어 연구진은 빛을 이용한 후속 관측도 제안했다. 행성이 쌍백색왜성 계의 적외선 방출에 더하는 신호를 JWST가 관측하면 LISA가 찾은 후보를 확인하는 데 도움이 될 수 있다는 구상이다. 이는 관측 제안이며 실제 두 관측소가 행성을 함께 확인한 사례는 아직 없다.

두 관측장비가 맡는 역할도 다르다. LISA는 중력파에 나타나는 쌍성의 운동 변화를 분석하고, JWST는 적외선 신호와 천체 위치에 관한 관측으로 후보를 살핀다. 두 자료가 같은 행성을 가리키는지 판단하려면 대상의 거리와 밝기, 행성의 질량과 공전 조건을 함께 고려해야 한다. 어느 한 장비에서 후보 신호를 얻었다고 해서 외계행성이 곧바로 확정되는 것은 아니다.

NASA가 소개한 계산 사례는 지구에서 약 500광년 떨어진 가상 계를 가정했다. 그 조건에서 JWST는 목성 질량의 약 5배인 행성을 관측할 수 있고, LISA는 이상적인 조건에서 목성보다 가벼운 행성까지 감지할 가능성이 있는 것으로 분석됐다. 이 수치는 특정 모델과 관측 조건에 따른 결과다. 모든 쌍백색왜성 계에 그대로 적용되는 성능 보장은 아니다.

NASA는 우리은하에 공전 주기가 한 시간보다 짧은 쌍백색왜성이 약 1000만 계 있을 것으로 추산한다. LISA는 이 가운데 약 1만 계의 중력파를 개별적으로 구분할 것으로 예상된다. 백색왜성과 중성자별 또는 블랙홀이 짝을 이룬 다른 계도 약 100개 관측할 것으로 전망된다. 이 숫자는 LISA의 예상 관측 대상 규모를 뜻하며, 발견할 행성 수를 의미하지 않는다.

쌍백색왜성이 많다는 사실과 그 주위에 관측 가능한 행성이 얼마나 있는지는 별개의 문제다. 실제 행성 신호를 구분할 수 있는지도 중력파의 세기, 관측 조건, 신호 분석 결과에 달려 있다. 따라서 지금 단계에서 LISA가 몇 개의 외계행성을 찾아낼 것이라고 숫자를 정할 근거는 없다. 이번 연구의 성과는 미래 관측자료에서 무엇을 찾아야 할지 구체적인 단서를 제시한 데 있다.

LISA는 유럽우주국(ESA)이 주도하고 NASA가 참여하는 임무다. 세 우주선이 지구를 따라 태양 주위를 돌며 한 변이 약 250만㎞인 삼각형 대형을 이루고, 레이저로 우주선 사이 거리를 정밀 측정한다. 중력파가 지나갈 때 생기는 거리 변화를 읽어 우주에서 일어나는 현상을 연구한다. 발사는 2030년대 중반으로 예정돼 있어, 이번 연구는 미래 관측 자료에서 행성 신호를 찾고 다른 방식으로 확인할 절차를 마련하는 단계다.

백색왜성 주변 외계행성은 일부 관측됐지만 쌍백색왜성 주위를 도는 행성은 아직 확인되지 않았다. 이런 행성이 발견되면 별의 진화 과정에서 행성이 어떻게 살아남는지, 강한 중력 환경에서 행성계가 어떤 모습으로 유지되는지 살펴볼 단서가 될 수 있다. 다만 그 가능성을 실제 관측으로 입증하려면 LISA가 가동된 뒤 신호를 포착하고 독립적인 후속 관측으로 확인해야 한다.

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