바다가 존재하는 외계 행성이 많다?

과학기술

바다가 존재하는 외계 행성이 많다?
암석 행성 53개 중 14개 이상인 것으로 나타나

2020.07.07 10:50 심창섭 객원기자

과학자들은 행성에 바다가 있어야 생명체가 탄생하기 수월하다고 생각한다. 우리 태양계에는 지구 이외에도 목성의 위성 유로파, 토성의 위성 엔셀라두스에 물로 된 지하 해양이 존재하는 것으로 밝혀졌다. 그렇다면 은하계 전체에서 바다가 있는 행성이나 위성의 비율은 얼마나 될까.

최근 미항공우주국(NASA) 행성 과학자들이 외계행성에 액체 상태의 바다가 존재할 가능성을 연구했다. 분석에 따르면, 조사 대상으로 삼은 지구 크기의 외계행성 중 4분의 1가량에 바다가 있을 것으로 나타났다. 이번 연구 결과는 ‘태평양천문학회(Astronomical Society of the Pacific)’가 발간한 최근 저널에 실렸다.

2005년 카시니 탐사선이 촬영한 엔셀라두스. 남극 표면에서 100여 개의 수증기 간헐천이 발견됐다. ⓒ NASA/JPL-Caltech

NASA 고다드우주비행센터(GSFC)의 린네 퀵(Lynnae Quick) 박사가 주도한 연구팀은 지금까지 발견된 외계행성 4000여 개 중에서 지구와 비슷한 크기의 암석 행성 53개를 골랐다. 그리고 표면이나 지하에 얼어붙지 않은 바다가 존재할 가능성을 수학적으로 분석했다.

연구팀이 주목한 것은 유로파와 엔셀라두스처럼 얼음 표층 아래에 거대한 바다가 있는 경우다. 이러한 지하 해양은 행성 내부에서 발생한 열에너지로 일정한 온도를 유지할 수 있고, 물과 함께 생명체의 기본 성분인 유기 분자가 포함되어 있어서 생명 탄생의 토대가 된다.

유로파 내부에서 수증기와 함께 분출된 유기 분자는 목성의 방사선에 노출된다. ⓒ NASA/JPL-Caltech

퀵 박사는 “유로파와 엔셀라두스에서 수증기로 된 간헐천이 분출되기 때문에 얼음으로 뒤덮인 표층 아래에 바다가 존재하고, 수증기를 발생시킬만한 에너지가 있음을 알 수 있다”라면서 “바다와 에너지는 우리가 알고 있는 생명에 필요한 두 가지 핵심 요소다. 이러한 장소에서 생존할 수 있다면 아마도 다른 행성계에도 생명체가 있을 것이다”라고 밝혔다.

방사성발열과 조석열이 열에너지의 원천

행성이나 위성에서 나오는 열에너지의 원천은 크게 두 가지로 나뉜다. 먼저 지각과 맨틀에서 방사성 물질이 서서히 붕괴하며 발생하는 ‘방사성발열(radiogenic heat)’이 있고, 다른 하나는 인근 천체의 중력이 행성 내부를 뒤틀면서 발생하는 ‘조석열’이다.

엔셀라두스의 내부 단면 이미지. 열수 활동이 위성 표면의 수증기 분출을 어떻게 유발하는지 보여준다. ⓒ NASA-GSFC/JPL-Caltech/SRI

지구와 같은 암석 행성의 경우, 내부 열에너지는 지각과 맨틀을 통해 화산이나 판구조론의 형태로 방출된다. 유로파와 엔셀라두스의 경우에는 해저 저온 화산(내부 얼음층이 갈라져 수증기가 분출되는 현상), 또는 얼음 지각의 이동을 통해 열이 방출된다. 연구원들은 이러한 열 방출량을 측정하면 해당 천체의 거주 가능 여부를 알 수 있다고 한다.

그러나 생명체가 살기 위해서는 적당한 열 방출이 필요하다. 너무 심한 화산 활동은 행성 표면을 녹여버리거나 대기 중에 독성 가스를 잔뜩 뿌릴 수도 있다. 반면, 화산 활동이 부족하면 충분한 온실가스를 공급하지 못해서 대기가 얇아져 춥고 메마른 행성이 될지 모른다.

얼음으로 둘러싸인 행성도 마찬가지다. 저온 화산 활동이 너무 심하면 생명을 지탱할 수 없을 정도로 지하 해양을 뜨겁게 가열할 수 있고, 너무 적게 가열하면 바다가 얼어붙을 수도 있다.

바다가 있는 행성은 아마도 은하계에 흔할 것

퀵 박사의 연구팀이 분석한 외계행성 53개 중에서 바다가 존재할만한 곳은 14개 이상인 것으로 나타났다. 그중 대다수는 유로파나 엔셀라두스보다 더 많은 열에너지를 방출할 가능성이 있었다.

트라피스트-1 행성계의 얼음 행성 상상도. ⓒ ESO/M. Kornmesser

암석 행성이 7개나 발견된 트라피스트-1 행성계도 조사 대상에 포함됐다. 분석에 따르면, 트라피스트-1 e, f, g, h는 모두 지표면이나 지하에 액체로 된 바다가 존재할 가능성이 컸다. 이번 연구에서 확인한 14개의 바다 행성 중에 4개가 단 하나의 행성계에 몰려 있는 셈이다.

그렇지만 새로운 연구 결과는 은하계에 바다 행성이 예상외로 흔할지도 모른다는 사실을 알려준다. 이는 외계생명체를 찾는 데 고려해야 할 부분이다.

이번 연구에 참여한 아키 로버지(Aki Roberge) 박사는 “태양계 외부에서 생명체의 징후를 찾기 위한 연구는 지구처럼 풍부한 생물계가 있어서 대기의 화학성분까지 변화시킨 행성을 찾는 데 초점을 맞추고 있다. 그러나 모성과 어느 정도 떨어진 얼음 행성에도 여전히 생명이 존재할 수 있다는 점을 알아야 한다”라고 말했다.

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