미국 항공우주국(NASA)과 메릴랜드 대학교 발티모어 카운티(UMBC) 연구진이 유럽우주국(ESA)과 협력 개발 중인 레이저 간섭계 우주 안테나(LISA) 관측선을 활용해 우리은하 전역의 백색왜성 쌍성계 주변 외계행성을 탐지하는 메커니즘을 상세히 규명했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘천물리학저널(The Astrophysical Journal)’에 2편의 논문으로 게재되었다.
LISA 관측선과 중력파 기반 외계행성 탐색 메커니즘
2026년 11월 10일 발표된 연구 결과에 따르면, 첫 번째 논문은 메릴랜드 대학교 발티모어 카운티(UMBC) 및 NASA 고다드 우주비행센터 소속 케이시 맥그래스(Casey McGrath) 박사후 연구원이 단독 저술한 것으로 탐지 방법론과 행성 질량 및 공전 주기 범위를 분석했다. 맥그래스 박사와 공동 저자들이 함께 작성한 두 번째 논문은 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 활용한 검증 방안을 담고 있다. 백색왜성 쌍성계 주변 외계행성 탐색 구상은 2008년 일본 천문학자 세토 나오키가 처음 제안했던 아이디어다.
핵심 관측 대상은 지구 크기의 항성 잔해인 백색왜성 2개가 1시간 미만의 짧은 주기로 서로를 공전하는 백색왜성 쌍성계(Double White Dwarf Systems)다. 행성이 공전하면서 미치는 중력은 숙주 항성계에 미세한 반작용 운동(Reflex motion)을 일으킨다. 빛을 이용한 기존의 시선속도(Radial velocity) 기법과 마찬가지로, 이러한 운동은 방출되는 중력파 신호에 주기적인 변화를 남기게 된다.
도플러 변조 신호 분석과 은하계 탐색 표적
NASA 고다드 센터의 스콧 노블(Scott Noble) 이론천체물리학자는 백색왜성 쌍성계가 그 자체로 거의 연속적인 주파수의 중력파를 방출하며, 질량이 충분한 행성이 존재할 경우 반작용 운동으로 인해 중력파 신호에 도플러 변조(Doppler modulation)가 추가된다고 설명했다.
케이시 맥그래스 박사는 이 현상을 현대 무선 라디오 통신 원리에 비유했다. 라디오 송신 시 주 반송파 주파수의 양옆으로 음성이나 음악 데이터를 담은 사이드밴드(Sideband) 신호가 형성되듯이, 중력파의 주주파수 상하단에 나타나는 2차 신호(사이드밴드)를 해석하여 외계행성의 존재를 밝혀내는 방식이다.
LISA 미션이 은하계 내부에서 관측할 주요 정량 데이터 및 표적은 다음과 같다:
- 우리은하 내 공전 주기 1시간 미만의 백색왜성 쌍성계: 약 1,000만 개 추정
- LISA 관측선이 개별적으로 분해 및 관측할 쌍성계: 약 1만 개
- 중성자성 또는 블랙홀이 포함된 혼합 쌍성계: 약 100개
제임스 웹 우주망원경과의 교차 검증 및 검출 성능
중력파 신호로 포착된 외계행성이 가짜 신호(False positive)가 아님을 증명하기 위해 연구진은 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 적외선 관측을 결합하는 검증 절차를 정립했다. 미시간 대학교의 메리 앤 림바흐(Mary Anne Limbach) 연구원은 이 공동 관측을 통해 중력파 신호가 실제 행성에 의한 것임을 확실히 입증할 수 있다고 밝혔다.
백색왜성 쌍성계에 외계행성이 존재할 경우, 항성만 존재할 때보다 스펙트럼상에서 초과 적외선(Infrared excess)이 방출된다. 연구진의 시뮬레이션에 따르면, 제임스 웹 우주망원경은 500광년 거리의 백색왜성 쌍성계에서 목성 질량의 약 5배에 달하는 외계행성을 적외선으로 검출할 수 있다. 또한 이상적인 조건에서는 LISA 관측선 단독으로도 목성보다 작은 서브 목성급(Sub-Jupiter) 행성의 중력파 사이드밴드 신호를 검출할 수 있는 것으로 나타났다.
ESA·NASA 미션 구조 및 2030년대 중반 발사 계획
LISA 미션은 유럽우주국(ESA)이 주도하고 NASA가 협력 파트너로 참여하는 대형 우주 탐사 프로젝트로, 2030년대 중반 발사를 목표로 하고 있다. LISA 관측선은 태양 궤도상에서 지구를 따라 이동하는 3대의 우주선으로 구성되며, 각 우주선 사이의 거리가 160만 마일(약 250만 km)에 달하는 정삼각형 배열을 이룬다.
각 우주선에 탑재된 2대의 망원경은 적외선 레이저 광선을 동시에 송수신하며 헬륨 원자의 지름보다 정밀한 수준으로 우주선 간의 미세한 거리 변화를 측정한다. NASA는 정밀 레이저 시스템과 시험 질량체의 전하 관리 장치, 중력파 신호 분석 알고리즘, 과학 및 엔지니어링 기술 지원을 제공하고 있다.
공식 출처: NASA Scientists Show How Gravitational Waves Can Reveal New Worlds