시선 속도법(도플러법)
행성의 중력으로 항성이 흔들리며 스펙트럼선이 도플러 이동하는 것을 측정해 행성 질량과 궤도를 결정한다.
행성의 중력에 끌려 항성이 미세하게 흔들릴 때, 항성 스펙트럼선이 주기적으로 청색 편이와 적색 편이를 되풀이하는 것을 측정해 행성의 존재와 질량을 알아내는 방법입니다.
해머던지기 선수를 멀리서 보면 해머는 안 보여도 선수가 뒤로 버티며 빙글빙글 흔들리는 것은 보입니다. 그 흔들림의 크기로 '해머가 얼마나 무거운지'를 짐작하는 것이 시선 속도법입니다.
쉽게 말하면
흔히 '행성이 항성 주위를 돈다'고 말하지만, 정확히는 둘이 공통 질량 중심 주위를 함께 돕니다. 항성이 훨씬 무거우니 질량 중심은 항성 쪽에 치우쳐 있고, 그래서 항성은 제자리에서 작게 원을 그리며 흔들립니다. 행성이 보이지 않아도 이 흔들림은 남습니다.
흔들림 중 우리가 잡아낼 수 있는 것은 시선 방향 성분뿐입니다. 항성이 우리 쪽으로 다가오는 반 주기 동안 스펙트럼선의 파장이 짧아지고(청색 편이), 멀어지는 반 주기 동안 길어집니다(적색 편이). 이것이 도플러 효과이고, 파장 이동량에서 항성의 시선 속도를 계산합니다.
스펙트럼선이 좌우로 오가는 주기는 곧 행성의 공전 주기이고, 오가는 폭은 행성의 질량이 클수록, 궤도 반지름이 작을수록 커집니다. 그래서 이 방법은 항성 가까이 도는 무거운 행성부터 먼저 찾아냈습니다.
한 가지 한계가 있습니다. 궤도면이 우리 시선에 대해 기울어져 있으면 흔들림의 일부만 시선 방향에 나타나므로, 이 방법으로 구한 질량은 언제나 실제 질량 이하입니다. 여기에 식 현상법 관측이 더해지면 궤도면이 시선과 거의 나란하다는 사실이 확정되어, 질량도 반지름도 제대로 확정됩니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1태양도 흔들리고 있습니다목성은 태양을 대략 초속 정도로 흔듭니다. 걷는 사람보다 조금 빠른 속도이고, 태양이 초속 수백 로 은하 안을 도는 것에 비하면 무시할 만큼 작습니다. 외계 문명이 시선 속도법으로 태양계를 관측한다면, 이 미세한 흔들림에서 목성부터 발견할 것입니다.
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예시 2지구를 찾는 것이 훨씬 어려운 이유지구가 태양을 흔드는 속도는 초속 에도 미치지 못합니다. 목성이 만드는 흔들림의 100분의 1 수준이라, 같은 장비로는 잡히지 않습니다. 시선 속도법이 처음에 '뜨거운 목성'류의 큰 행성만 찾아낸 것은 그런 행성이 유독 흔해서가 아니라, 그것만 검출할 수 있었기 때문입니다.
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예시 3스펙트럼선이 넓어 보이는 별별이 빠르게 자전하면 다가오는 쪽과 멀어지는 쪽의 도플러 이동이 겹쳐 흡수선 자체가 뭉개져 넓어집니다. 선이 흐릿할수록 중심 위치를 정밀하게 재기 어려우므로, 시선 속도법은 자전이 느리고 선이 또렷한 별에서 잘 통합니다.
청색 편이일 때와 적색 편이일 때
| 구분 | 청색 편이 | 적색 편이 |
|---|---|---|
| 항성의 움직임 | 관측자 쪽으로 다가옴 | 관측자에게서 멀어짐 |
| 측정되는 파장 | 원래보다 짧아짐 | 원래보다 길어짐 |
| 행성의 위치 | 질량 중심을 사이에 두고 항성 반대편(멀어지는 쪽) | 질량 중심을 사이에 두고 항성 반대편(다가오는 쪽) |
자주 하는 오해
항성은 가만히 있고 행성만 돈다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움무거운 별은 움직이지 않고 그 주위를 가벼운 행성이 돈다
실제로는둘 다 공통 질량 중심 주위를 돕니다. 항성이 무거워서 그리는 원이 아주 작을 뿐, 반드시 흔들립니다.
행성이 항성에게 받는 중력과 항성이 행성에게 받는 중력은 크기가 같습니다(작용 반작용). 항성이 흔들리지 않는다면 애초에 시선 속도법은 성립할 수 없습니다. 이 방법은 '항성이 반드시 흔들린다'는 사실 위에 세워져 있습니다.
시선 속도법으로 구한 질량을 행성의 참질량으로 받아들이기
이렇게 생각하기 쉬움도플러 이동으로 계산했으니 이 행성의 질량은 목성의 2배이다
실제로는궤도면의 기울기를 모르면, 그 값은 '적어도 이만큼은 된다'는 최소 질량입니다.
측정되는 것은 항성 운동의 시선 방향 성분뿐입니다. 궤도면이 시선에 대해 많이 기울어져 있을수록 실제 운동의 일부만 시선 방향에 드러나므로, 계산된 질량은 참값보다 작게 나옵니다. 극단적으로 궤도면을 정면으로 보고 있다면 시선 속도 변화가 0이 되어 행성이 있어도 전혀 검출되지 않습니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
없음 — 이 개념이 마지막입니다
연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요
같은 단원의 개념 — 우주 탐사와 행성계
자주 묻는 질문
Q1행성의 스펙트럼을 보는 것이 아니라 별의 스펙트럼을 보는 건가요?
그렇습니다. 행성은 스스로 빛을 내지 않고 별빛에 파묻혀 보이지 않습니다. 이 방법에서 관측하는 대상은 처음부터 끝까지 항성의 빛이며, 행성은 그 빛의 파장이 주기적으로 흔들린다는 사실로만 존재를 드러냅니다.
Q2청색 편이가 나타나면 별이 실제로 우리에게 다가오는 건가요?
질량 중심을 기준으로 볼 때 그 순간 우리 쪽으로 다가오고 있는 것이 맞습니다. 다만 그 폭이 아주 작아서, 별 전체가 은하 안에서 이동하는 큰 속도 위에 미세한 흔들림이 얹혀 있는 형태입니다. 그래서 실제로는 '평균값에서 얼마나 오르내리는가'를 봅니다.
Q3식 현상법과 시선 속도법 중 무엇이 더 좋은 방법인가요?
우열이 아니라 역할이 다릅니다. 식 현상법은 반지름을, 시선 속도법은 질량을 줍니다. 둘을 함께 얻어야 밀도를 계산할 수 있고, 그래야 그 행성이 암석 덩어리인지 가스 덩어리인지 말할 수 있습니다.
교육과정 2022 개정 · 고3 지구과학 · 우주 탐사와 행성계
수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)
질량과 궤도를 알아낸 다음 던지는 질문은 하나입니다 — 그 궤도에 물이 액체로 있을 수 있는가. 생명 가능 지대로 이어집니다.
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초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.
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