외계행성탐색시스템

한국천문연구원이 남반구 3개 관측소(칠레, 남아프리카공화국, 호주)에 설치한 광시야 광학관측장비이다. 생명체가 존재할 가능성이 있는 지구형 외계행성 발견을 목표로 한국 정부의 예산을 받아 2009년부터 시스템 개발을 시작하였으며, 시스템 구축 및 시험 관측을 완료한 2015년 10월부터 천체관측연구에 활용하고 있다. 이 시스템은 미시중력렌즈(microlensing) 방법을 이용한 외계행성 탐색연구에 최적화되었다. 중력렌즈 현상의 검출 확률을 높이기 위하여, @@NAMATH_INLINE@@2\times2@@NAMATH_INLINE@@ 평방도(@@NAMATH_INLINE@@{\rm deg}^2@@NAMATH_INLINE@@)의 관측시야에 수천만개의 많은 별들이 밀집해있는 우리은하 중심부(Galactic bulge) 영역을 24시간 연속으로 관측하고 있다. 이 영역을 관측할 수 없는 기간에는 초신성 및 태양계소천체의 광시야 탐색관측과 외부은하의 다파장 관측 등을 수행하고 있다.

목차

KMTNet 망원경은 직경 @@NAMATH_INLINE@@1.6\,m@@NAMATH_INLINE@@의 주경(primary mirror)과 4장의 광시야 보정렌즈로 구성된 주초점(prime-focus) 광학계를 사용하고 있으며, 유효 초점거리는 @@NAMATH_INLINE@@5.16\,m@@NAMATH_INLINE@@이다. 망원경 경통은 U-자 모양의 포크형 적도의식 마운트(fork-type equatorial mount)에 설치되어 동서 방향과 남북 방향의 2개 축으로 움직인다. 경통 상단부의 탑링(top-ring)에 설치한 3개의 엑츄에이터(actuator)를 움직여서 망원경의 초점 조정과 광학계 정렬을 수행한다. 광시야 보정렌즈 3번과 4번 사이에는 @@NAMATH_INLINE@@310\times310\,mm^2@@NAMATH_INLINE@@ 크기의 대형 광학필터 4개, 즉, Johnson-Cousins B,V,R,I 필터가 4단 서랍 방식으로 장착되어 있다.

망원경 초점면에는 천체의 영상을 촬영하는 모자이크 CCD 카메라가 설치되어 있다. 카메라 듀어(dewar) 안쪽에는 영국 e2v사에서 공급한 @@NAMATH_INLINE@@9k\times9k@@NAMATH_INLINE@@ CCD 4장이 @@NAMATH_INLINE@@2\times2@@NAMATH_INLINE@@의 모자이크 방식으로 장착되어 있으며, 전체 화소(pixel)는 약 3.4억개이다. 1개 화소의 크기는 @@NAMATH_INLINE@@10\times10\,\mu m^2@@NAMATH_INLINE@@이며, 망원경 광학계를 고려하면 0.40 각초(arcsec)에 해당한다. 전기적인 잡음을 최소로 줄이기 위하여 CCD 칩은 섭씨 영하 110도로 냉각되며, 듀어 안쪽은 외부와의 열교환을 차단하기 위하여 @@NAMATH_INLINE@@5\times10^{-5}\,Torr@@NAMATH_INLINE@@ 미만의 진공도를 유지하고 있다.

KMTNet의 가장 중요한 특징은 남반구 천체를 24시간 연속으로 관측할 수 있는 광시야 탐색관측장비라는 것이다. 관측시야는 @@NAMATH_INLINE@@2\times2\,@@NAMATH_INLINE@@평방도로 보름달 면적의 약 16배에 해당한다. 망원경 집광력과 CCD 관측시야의 곱으로 정의되는 에텐듀(etendue)라는 지표를 비교하면, KMTNet은 @@NAMATH_INLINE@@6.0\,m^2 deg^2@@NAMATH_INLINE@@이고, 미국 Pan-STARRS @@NAMATH_INLINE@@1.8\,m@@NAMATH_INLINE@@ 망원경은 @@NAMATH_INLINE@@13\,m^2 deg^2@@NAMATH_INLINE@@, 칠레 VISTA @@NAMATH_INLINE@@4.0\,m@@NAMATH_INLINE@@ 망원경은 @@NAMATH_INLINE@@6.8\,m^2 deg^2@@NAMATH_INLINE@@, 호주 SkyMapper @@NAMATH_INLINE@@1.3\,m@@NAMATH_INLINE@@ 망원경은 @@NAMATH_INLINE@@5.2\,m^2 deg^2@@NAMATH_INLINE@@로써, KMTNet는 외국의 최신 광시야 관측장비들과 대등한 성능을 갖는다. KMTNet은 칠레의 세로토롤로(Cerro Tololo) 관측소와 남아프리카공화국의 서덜랜드(Sutherland) 관측소, 호주의 사이딩스프링(Siding Spring) 관측소 등 경도는 90도 이상 떨어져 있고 위도는 약 -30도로 거의 비슷한 위치에 설치되었다. 시간대가 서로 다른 3개 관측소에 설치한 동일한 사양의 망원경과 카메라를 이용하여 특정한 천체를 24시간 연속 관측할 수 있다는 것은 다른 광시야 관측장비들과는 차별화된 매우 특별한 장점이다.

남아프리카공화국 서덜랜드 관측소에 설치된 KMTNet 망원경(출처: 한국천문연구원)

호주 사이딩스프링 관측소에 설치된 KMTNet 관측돔과 밤하늘 모습(출처: 한국천문연구원)

KMTNet 시스템이 설치된 남반구 3개 관측소(출처: 한국천문연구원)

KMTNet 관측자료를 이용하여 미시중력렌즈 현상에 의해 별빛이 밝아지는 것을 찾아내고 이를 분석한 결과, 2017년 4월에 지구와 비슷한 질량을 가진 외계행성을 발견하였다. 이 연구에는 미국 NASA에서 운영하는 스피처(Spitzer) 우주망원경도 함께 관측하여 행성까지의 거리와 질량을 정밀하게 알아낼 수 있었다. OGLE-2016-BLG-1195Lb라고 명명된 이 행성은 지구보다 1.43배 무겁고 지구로부터 약 13,000광년 떨어져 있다. 이 행성은 태양 질량의 @@NAMATH_INLINE@@7.8\,\%@@NAMATH_INLINE@@ 밖에 되지 않는 매우 작고 차가운 별의 주위를 @@NAMATH_INLINE@@1.16\,AU@@NAMATH_INLINE@@(약 1억 7천만 @@NAMATH_INLINE@@km@@NAMATH_INLINE@@) 거리에서 공전하고 있다. 중심별까지의 거리는 지구와 유사하지만, 중심별이 태양보다 차가워서 행성의 표면온도는 태양계 외곽의 명왕성보다 낮으며, 생명체 존재 가능성이 희박한 얼음덩어리(iceball) 행성으로 추정되었다. 이 행성은 2017년 2월에 발견된 트라피스트(TRAPPIST)-1 행성계와 매우 유사하며, 우리는 이런 연구결과로 작고 차가운 별 주위에 지구질량 행성이 흔하다는 것을 알 수 있다.

지상망원경인 KMTNet과 우주망원경인 스피처로 공동관측하여 새로운 외계행성에 의한 중력렌즈 현상 검출(출처: 한국천문연구원)

지구질량 외계행성 OGLE-2016-BLG-1195Lb의 상상도(출처: )