새로운 외계 행성을 발견하기 위해 별빛을 끄다

연구진은 밝은 광원에서 나오는 빛을 차단하는 광학 장치인 새로운 코로나그래프를 개발했습니다. 이 장치를 사용하면 모항성에서 나오는 빛에 가려진 먼 외계 행성을 관측할 수 있습니다. 이 새로운 장치는 오늘날의 망원경으로는 관측할 수 없는 태양계 너머의 외계 행성을 밝혀내 지구 너머 생명체 존재 가능성에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

애리조나 대학교의 연구팀장인 니코 데슐러는 "생명체 거주 가능 영역(항성 주변에서 액체 물이 존재할 수 있는 온도)에 있는 지구형 행성은 모항성보다 최대 10억 배까지 어두울 수 있습니다."라고 말했습니다.

"이로 인해 행성의 희미한 빛이 항성의 밝기에 가려져 발견이 어렵습니다. 하지만 우리의 새로운 코로나그래프 설계는 외계행성의 빛을 가릴 수 있는 별빛을 흡수하여 이미지를 촬영합니다."

Optica 논문 에서 연구진은 새로운 코로나그래프가 양자 광학이 설정한 외계 행성 탐지 및 위치 추정의 근본적인 한계를 이론적으로 달성할 수 있음을 보여주었습니다. 또한, 이를 이용하여 모항성으로부터 망원경의 분해능 한계보다 최대 50배 더 ​​작은 거리에 있는 인공 외계 행성의 위치를 ​​추정할 수 있는 이미지를 촬영했습니다.

"다른 코로나그래프 설계와 비교했을 때, 저희 설계는 망원경의 분해능 한계 아래에 있는 소위 '아회절 외계행성'에 대한 더 많은 정보를 제공할 것으로 기대됩니다."라고 데슐러는 말했습니다. "이를 통해 생체 신호를 감지하고 별들 사이에 생명체가 존재한다는 것을 발견할 수 있을 것입니다."

빛에 눈이 멀어

외계행성을 광학적으로 분석하는 것은 천문학적 규모에서 모항성에 너무 가까워 현재의 망원경으로는 관측하기 어려운 경우가 많기 때문에 매우 어려운 과제입니다. 또한 외계행성은 모항성보다 수십 배 더 어두울 수도 있습니다. 천문학자들은 잠재적인 별 주위의 행성 존재를 간접적으로 추론하는 다양한 방법을 개발해 왔지만, 이미지로 외계행성을 직접 관측하는 것이 가장 이상적일 것입니다.

NASA의 차세대 우주 망원경인 거주 가능 세계 관측선(HWO)이 외계 행성 과학에 전념함에 따라, 다양한 코로나그래프 설계가 등장했으며, 각 설계는 서로 다른 실질적, 이론적 성능 상충 관계를 가지고 있습니다. 동시에, 최근 연구에 따르면 망원경의 기존 분해능 개념은 근본적인 한계를 반영하지 못하며, 신중한 광학 전처리를 통해 극복할 수 있음이 밝혀졌습니다.

이러한 발전에 영감을 받은 연구진은 실험실에서 사용 가능한 공간 모드 분류기를 사용하여 축에 있는 별에서 나오는 모든 빛을 이론적으로 차단하는 동시에 축에서 벗어난 외계 행성의 처리량을 최대화하는 개선된 코로나그래프를 개발하기로 결정했습니다.

피아노 음표가 서로 다른 음향 주파수를 방출하는 것처럼, 우주의 광원은 위치에 따라 서로 다른 공간 모드, 즉 고유한 모양과 진동 패턴을 생성합니다. 연구진은 모드 분류기를 사용하여 별에서 나오는 빛을 분리하고 제거한 후, 역모드 분류기를 사용하여 별빛이 제거된 후 광학계를 재구성하여 이러한 모드들을 분리했습니다. 이를 통해 별이 없는 외계행성의 이미지를 포착할 수 있었습니다.

데슐러는 "우리의 코로나그래프는 외계 행성의 이미지를 직접 포착하는 반면, 공간적 방향 없이 외계 행성에서 나오는 빛의 양만 측정합니다."라고 말했습니다. "이미지는 외계 행성의 궤도를 파악하고 외계 황도대 먼지 구름처럼 별에서 나오는 빛을 산란시키는 다른 천체를 식별하는 데 사용할 수 있는 맥락 및 구도 정보를 제공할 수 있습니다."

희미한 외계 행성 이미징

연구진은 실험실에서 코로나그래프를 구성한 후, 외계행성을 기존 망원경으로는 분해할 수 없을 정도로 별에 가깝게 배치한 인공 별-외계행성 장면을 제작했습니다. 별과 행성의 대비율은 1000:1로 설정했습니다.

연구진은 외계 행성의 위치를 ​​스캔하여 행성이 별 앞을 지나는 궤도를 시뮬레이션한 후, 각 프레임에서 행성의 위치를 ​​파악하려고 했습니다. 새로운 코로나그래프를 활용한 실험 장치로 촬영한 이미지를 통해 행성과 별 사이의 거리가 회절선 이하일 때 외계 행성의 위치를 ​​추정할 수 있었습니다.

연구진은 서로 다른 광학 모드에서 빛이 새어 나오는 일종의 간섭인 크로스토크를 줄이기 위해 모드 분류기를 개선하고 있습니다. 콘트라스트가 중간 정도인 장면에서는 크로스토크가 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 외계행성 과학에서 발견되는 극심한 콘트라스트를 고려하면 별에서 나오는 빛을 충분히 분리하기 위해 매우 높은 정확도의 공간 모드 분류기가 필요합니다.

연구진은 이 원리 증명 실험이 향후 천문 계측 장비에서 공간 모드 분류기를 이용한 광학 전처리에 대한 심도 있는 탐구에 영감을 줄 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 연구진이 사용한 공간 모드 필터링 방법은 별을 확장된 물체로 처리하는 것과 같은 더 복잡한 시나리오를 처리할 수 있으며, 양자 감지, 의료 영상 및 통신을 위한 새로운 이미징 기법으로 이어질 수도 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250418235514.htm