외계 행성 산소 검출해 생명체 추적

과학기술

외계 행성 산소 검출해 생명체 추적
제임스 웹 우주망원경 이용…행성 대기 분석

2020.01.07 11:50 김병희 객원기자

외계 행성의 대기에서 산소를 검출해 외계 생명체 탐색을 가속화할 수 있는 새로운 방법이 개발됐다.

생명 혹은 생명의 특성(biosignature)이 존재한다는 것을 알 수 있는 표지 중 하나는 태양계 밖 외계 행성(exoplanets)의 대기에 산소가 존재하느냐의 여부다.

산소는 지구상에서 식물이나 조류(algae), 시아노박테리아 같은 유기체가 광합성을 통해 햇빛을 화학 에너지로 변환할 때 발생한다. 따라서 외계 행성의 대기에 산소가 포함돼 있다면 생명의 존재를 짐작해 볼 수 있다.

미국 항공우주국(NASA) 고다드 우주비행센터 주도로 개발된 이 방법은 NASA의 제임스 웹(James Webb) 우주망원경이 외계 행성의 산소 분자들이 충돌할 때 생성되는 강력한 신호 포착에 활용될 예정이다.

이 신호는 과학자들이 ‘살아있는’ 행성과 그렇지 않은 행성을 구별하는 데 도움을 줄 것으로 보고 있다. 이번 연구는 천문학 저널 ‘네이처 아스트로노미’(Nature Astronomy) 6일 자에 게재됐다.

산소가 풍부한 대기를 가진 물이 있는 외계 행성(왼쪽)과 건조한 외계 행성(오른쪽) 개념도. 작은 초승달 모습은 이 계의 다른 행성들이다. 적색의 M 왜성 주위를 외계 행성이 공전한다. 건조한 외계 행성은 항성에 더 가까이 있어 항성이 더 크게 보인다. CREDIT: NASA/GSFC/Friedlander-Griswold

산소가 풍부한 대기를 가진 물이 있는 외계 행성(왼쪽)과 건조한 외계 행성(오른쪽) 개념도. 작은 초승달 모습은 이 계의 다른 행성들이다. 적색의 M 왜성 주위를 외계 행성이 공전한다. 건조한 외계 행성은 항성에 더 가까이 있어 항성이 더 크게 보인다. ⓒ NASA/GSFC/Friedlander-Griswold

제임스 웹 우주망원경으로 외계 행성 대기 관측

우리 태양계 밖에서 다른 별들의 궤도를 돌고 있는 외계 행성들은 너무나 멀리 떨어져 있기 때문에 과학자들이 현지를 찾아가 생명의 흔적을 발견하기는 거의 불가능하다.

그 대신, 내년도 3월 발사 예정인 제임스 웹 우주망원경과 같은 최첨단 장비를 사용해 외계 행성들의 대기에 무엇이 존재하는가를 살펴볼 수 있다.

논문 제1저자인 NASA 고다드 우주비행센터의 토머스 포쉐(Thomas Fauchez) 박사는 “이번에 새로운 방법을 개발하기 전까지는 제임스 웹 우주망원경으로 지구와 비슷한 수준의 산소는 감지할 수 없는 것으로 생각됐다”고 말하고, “이 산소 신호는 지구 대기 연구를 통해 1980년대 초부터 알려졌으나 외계 행성 연구를 위해 탐구된 것은 이번이 처음”이라고 밝혔다.

연구팀은 우주에서 가장 흔한 별인 M 왜성 주위를 도는 외계 행성 대기 조건을 컴퓨터로 모델링 해서 산소 신호를 시뮬레이션했다.

UC리버사이드대 우주생물학자인 에드워드 슈비터만(Edward Schwieterman) 박사는 무생물 과정에서 고농도의 산소를 검출하는 유사한 방법을 처음으로 제안한 연구자로, 이번 기술 개발에서 산소 충돌로 얼마나 많은 빛이 차단되는지를 계산하는 데 도움을 주었다.

슈비터만 박사는 “산소는 생명과의 관련성 때문에 검출해 볼 만한 가장 흥미로운 분자 가운데 하나지만, 생명체가 대기에 산소를 생성시키는 유일한 원인인지는 확실치 않다”고 말했다.

그는 이번에 개발한 기술을 통해 살아있는 행성과 죽은 행성 모두에서 산소를 찾을 수 있다고 전했다.

별들 주변의 거주 가능 구역 경계와, 이 경계가 별의 유형에 따라 어떻게 영향을 받는지를 나타낸 도표. CREDIT: Wikimedia / Chester Harman

별들 주변의 거주 가능 구역 경계가 별의 유형에 따라 어떻게 영향을 받는지를 나타낸 도표. ⓒ Wikimedia / Chester Harman

“생명체 없어도 대기에 산소 존재 가능”

이번에 개발한 기술은 산소 분자 충돌로 인해 빛이 차단된다는 점에 착안했다.

별빛이 외계 행성의 대기를 통과할 때 산소는 특정 색상(파장)의 빛-이 경우에는 6.4 마이크로미터 파장의 적외선-을 흡수한다. 외계 행성 대기의 산소 분자들이 서로 혹은 다른 분자와 충돌하면 충돌에 따른 에너지로 인해 산소 분자가 일시적으로 적외선을 흡수할 수 있는 특별한 상태가 되기 때문이다.

이렇게 되면 적외선 빛의 일부가 차단돼 망원경에서 보이지 않게 되고, 이때 이 빛의 패턴을 조사해 해당 행성의 대기 구성을 확인할 수 있다는 것.

논문 공저자인 고다드 센터의 제로니모 빌라누에바(Geronimo Villanueva) 박사는 “유사한 산소 신호가 1.06과 1.27 마이크로미터 파장으로 존재해 이전 연구에서 논의돼 왔으나, 구름 때문에 6.4 마이크로미터 파장보다 신호 강도가 떨어진다”고 말했다.

흥미롭게도 일부 연구자들은 외계 행성에 생명체가 없어도 산소로 인해 생명체가 존재하는 것처럼 보일 수 있다는 의견을 제시한다. 그 이유는 행성에 아무런 생명 활동이 없는데도 불구하고 대기에 산소가 축적될 수 있기 때문이다.

외계 행성이 궤도의 중심 별과 너무 가깝거나 너무 많은 빛을 받으면 대기가 매우 따뜻해지고, 바다에서 증발하는 수증기가 포화상태를 이루게 된다.

이 수증기의 물은 강한 자외선에 의해 수소와 산소 원자로 분해될 수 있다. 이때 가벼운 수소 원자는 쉽게 우주로 빠져나가고 산소가 남게 된다.

시간이 지나면서 이 과정이 진행되는 동안 대기에는 두터운 산소 층이 형성되는데 비해 전체 바닷물은 사라지게 된다. 이렇게 형성되는 산소는 생명체가 만들어내는 산소보다 더 많을 것으로 추정된다.

따라서 외계 행성 대기에 풍부한 산소가 존재한다고 반드시 풍성한 생명이 존재하는 것이 아니며, 이는 대신 행성에서 물이 손실된 이력을 나타낼 수 있다는 것.

허블 우주망원경의 뒤를 잇는 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 허블을 능가하는 검출력과 향상된 적외선 해상력으로 가장 원거리의 우주 물체와 이벤트를 탐지해 냄으로써 우주의 신비를 밝히는데 크게 기여할 것으로 전망된다. CREDIT: Wikimedia / NASA

허블 우주망원경의 뒤를 잇는 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 허블을 능가하는 검출력과 향상된 적외선 해상력으로 가장 원거리의 우주 물체와 이벤트를 탐지해 냄으로써 우주의 신비를 밝히는데 크게 기여할 것으로 전망된다. ⓒ Wikimedia / NASA

“산소 너무 밀집된 대기 아래서는 생명체 못 살아”

또 다른 논문 공저자인 고다드 센터의 라비 코파라푸(Ravi Kopparapu) 박사는 “웹 우주망원경이 6.4 마이크로미터 신호를 얼마나 쉽게 감지할 수 있느냐에 따라 이 행성에 생명이 살 수 있는 가능성이 얼마나 되는지를 가늠할 수 있다”며, “만약 6.4 마이크로미터 신호를 상대적으로 너무 쉽게 감지한다면 이 행성이 매우 밀집된 산소층을 가지고 있어 오히려 생명이 살 수 없다는 것을 의미한다”고 설명했다.

지구와 같은 대기 조건을 가진 외계 행성을 웹 우주망원경으로 잘 관측하려면 이 행성들이 지구에서 대략 16광년 이내에 있는 M 왜성을 공전해야 한다.

산소 대기가 지구 대기압의 22배인 건조한 외계 행성은 산소 신호가 82광년 떨어진 거리에서도 검출될 수 있다.

비교를 해본다면, 태양과 가장 가까운 별들은 약 4광년 정도 되는 알파 센터우리(Alpha Centauri)계에서 찾아볼 수 있고, 우리 은하는 약 10만 광년에 걸쳐 펼쳐져 있다.

내년에 제임스 웹 우주망원경이 발사, 가동되면 그동안 생명체가 존재할 만한 곳으로 추정되던 외계 행성들에 대해 좀 더 구체적인 정보를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

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