기획·칼럼

외계 행성의 대기만을 집중적으로 탐구

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] ESA 코스믹 비전 프로그램 (6) 아리엘(ARIEL) 미션

지구 밖에 생명체가 존재하고 있을까?

우리 인류는 21세기에 살고 있지만 여전히 지구 밖 외계 생명체에 관해서 알지 못한다. 생명체의 탄생 및 유지에 절대적으로 필요한 조건은 복잡한 유기 분자가 결합할 수 있는 최소한의 환경이다. 이와 함께 액체 물과 물질대사를 가능하게 해주는 에너지원이 절대적으로 필요하다. 하지만 현재 외계 생명체의 기준은 전적으로 지구에서의 조건만을 기준으로 하고 있다.

항성은 아주 충분한 에너지원이지만 온도가 매우 높은 탓에 최소한 지구에 사는 단세포 및 다세포 생명체가 살기 적당한 곳이 아니다. 따라서 이러한 조건들을 만족시키는 행성이나 행성을 돌고 있는 위성을 찾아야 한다. 따라서 외계 생명체의 탐색은 행성의 조성과 밀도, 행성을 둘러싸고 있는 대기, 마지막으로 화학반응 여부를 중심으로 진행되고 있다.

행성의 대기와 생명체와의 관련성

행성의 대기는 생명체에 무엇보다도 중요한 요소이다. 생명의 지표 (biosignature) 중 하나인 산소의 행성 대기 포함 유무는 우주 생물학자들과 천문학자들의 가장 큰 관심사 중 하나이다. 산소는 지구상의 환경에서 생명체에 절대적인 영향을 끼치는 광합성과 관련이 있다. 식물이나 조류(algae) 등이 광합성을 통해서 항성의 에너지원을 화학 에너지원으로 변환할 때 산소가 발생하기 때문이다. 따라서 외계 행성의 대기에 산소가 포함되어 있다면 지구상의 환경과 비슷할 수도 있음을 의심할 수 있다.

식물의 광합성을 통한 산소 방출 개념도 ⓒWattcle

이처럼 일반적으로 생명체의 번성을 위해서는 현재 지구의 대기와 비슷한 풍부한 질소와 산소가 필수 요소이다. 따라서 산소가 외계 행성 대기에서 검출된다면 가장 흥미로운 분자 중 하나임이 확실하지만, 대기의 산소가 반드시 생명체를 통해서만 생성이 되는 것이 아니기에 여러 가지 부수적인 연구들이 필요하다. 또한 산소의 양도 생명체의 번성에 중요한 요소이기에 보다 정확한 대기 관측이 필요하다.

하지만 생명체의 ‘번성’과 ‘탄생’은 다르다. 한 가지 주의할 점은 지구 초기 대기에는 질소와 산소가 풍부하지 않았고 대신 암모니아, 메탄, 그리고 이산화탄소 등의 성분이 풍부했다는 점이다. 이러한 지구 초기 환경에서 생명체가 탄생한 것처럼 외계 행성에서도 생명체가 탄생하기 위해서 산소와 질소가 필수 조건은 아닐 것이다. 또한 질소와 산소가 없어도 생존하며 번성할 수 있는 지구상 생명체들도 존재한다.

본격적으로 외계 행성 대기 탐구

본격적으로 외계행성의 대기를 관측하게 될 첫 번째 대형 망원경은 미항공우주국이 곧 쏘아 올릴 제임스 웨브 우주망원경(James Webb Space Telescope)이다.

이 망원경은 현재 천문학자들과 우주 공학자들의 가장 많은 관심을 받고 있는 망원경이다. 위대한 망원경 허블(Hubble Spaced based Telescope)의 후계자로 시작된 망원경으로서 역사상 가장 강력한 망원경 중 하나가 될 것이기 때문이다.

하지만 이 망원경을 통한 천문학의 관측 분야는 상당히 다양하기에 외계행성의 대기에만 집중할 수는 없는 실정이다.

제임스 웨브 우주망원경의 실제 모습 ⓒNASA/JWST

외계 행성 대기만을 위한 망원경

반면 유럽 우주국에서는 외계 행성의 대기관측에만 집중하는 프로젝트를 준비하고 있다. 바로 코스믹 비전(Cosmic Vision 2015~2025)의 세부 프로젝트 중 총 6번째 그리고 4번째 중간 규모 미션(M-class missions)으로 선정된 아리엘 미션(ARIEL, Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey)이다.

이는 2029년 발사를 목표로 진행 중인 프로젝트이며 주로 외계 행성의 화학 성분 그리고 열적 구조를 연구할 계획이다. 이 미션에 이용될 망원경은 제임스 웨브 우주망원경과 비교하면 훨씬 작은 망원경이지만, 훨씬 더 많은 시간을 외계 행성을 위한 연구에 할애될 전망이다. ARIEL 망원경은 심지어 허블망원경보다도 작다. 하지만 현재 진행 중인 계획에 따르면 최소 1000개 이상의 외계 행성 관측을 목표로 하고 있다.

아리엘 미션의 상상도 ⓒESA/ARIEL

외계 행성계의 형성과 진화 밝힐 아리엘 미션

이 프로젝트의 가장 중요한 과학적인 목표는 외계 행성계가 어떻게 형성되었고 진화되고 있는지에 관한 근본적인 질문에 답하는 것이다.

항성이나 행성, 혹은 행성계의 화학적 성분을 자세히 조사하기 위해서는 민감도가 높은 분광계가 필요하다. 분광계는 빛을 분해해서 행성 대기에 있는 가스나 주요 성분들에 관한 자세한 정보를 얻을 수 있다. 이는 결국 행성이 어떠한 환경으로 태어나는지와 행성의 진화에 관해서도 답을 줄 수 있기에 ARIEL 프로젝트는 잠재력이 큰 프로젝트라고 할 수 있다.

생명체가 반드시 지구형 암석 행성에만 살 수 있으리라는 보장은 없다. 따라서 ARIEL 프로젝트는 지구형 행성에 초점을 맞추기보다는 외계 행성을 여러 가지 변수들에 따라서 구분하고 생명체의 가장 필수 조건인 온도에 주로 초점을 맞출 계획이다. 따라서 항성 주위를 가깝게 도는 따스한 행성들이 ARIEL 프로젝트의 가장 큰 관측 후보군이다.

ARIEL 임무가 기대되는 이유는 유럽 우주국 11 개 회원국 산하의 다양한 국가기관들과 캐나다, 일본, 멕시코, 그리고 미국이 공동으로 참여하기 때문이다.

수백 명이 넘는 천문학자들과 공학자들로 구성된 ARIEL 컨소시엄을 이끌 수장으로 UCL (유니버시티 칼리지 런던)의 이탈리아 천문학자 지오반나 티니티 교수(Giovanna Tinetti)가 선정되었다. 특이하게도 그녀는 코스믹 비전의 세 번째 중간 규모 미션에서 최종 탈락한 Exoplanet Characterisation Observatory (EcHO)의 책임자였는데, 이 때문에 ARIEL 프로젝트는 Exoplanet Characterisation Observatory의 계획을 기반으로 설계될 전망이다.

탐사선의 본체를 구성하고 있는 주요 부분은 서비스 모듈(SVM)과 페이로드 모듈(PLM)로 구성될 계획이다.

지오반나 티니티 교수 ⓒ지오반나 티니티 교수 홈페이지

외계 행성의 여러 가지 특징들에 관해서 가장 자세하게 파헤칠 ARIEL 탐사선은 현재 개발 중인 Arianespace의 Ariane 62 로켓에 의해서 2029년에 최종 발사될 예정이다.

프랑스령 기아나 우주센터에서 발사된 후 L2 지점에 도착할 전망이다. 이는 지구에서 약 150만Km나 떨어진 지점으로서 태양광으로부터 방해받지 않는 장소이다. 또한 적외선을 통해서 관측을 시행할 ARIEL 망원경으로서는 L2 지점이 온도적으로도 외계 행성의 관측을 위한 최적의 장소이다.

참고로 제임스 웨브 우주망원경도 L2 지점에서 우주를 관측할 전망이다.

L2 지점에서 외계 행성을 관측할 ARIEL 미션 ⓒESA/ARIEL

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