“은하계 생성 초기 행성들에서 생명체 형성”

과학기술

“은하계 생성 초기 행성들에서 생명체 형성”
행성의 판 구조가 생명체 형성조건 마련

2020.06.26 11:35 김병희 객원기자

은하계 생성 초기에 형성된 암석으로 이뤄진 외계행성들은 그 이후에 생겨난 행성들보다 자기장과 판 구조를 발전시킬 기회가 더 많았다는 사실이 밝혀졌다.

자기장과 판 구조(plate tectonics)는 생명이 잉태하는데 유리한 조건을 형성하는 것으로 여겨진다. 따라서 은하계 안에 생명이 존재한다면 은하계 생성 후기보다는 초기에 발전했을 수 있고, 최근에 형성된 행성들은 생명을 발전시킬 기회가 적을 수 있음을 의미한다.

최근 미국 하와이에서 열리고 있는 세계 주요 지구화학(geochemistry) 학술대회인 골드슈미트 컨퍼런스(21~26일)에서 호주 과학자팀은 은하계 생명체 생성과 관련한 최근 연구를 발표하고 활발한 논의를 펼쳤다.

이번 대회에서 연구 결과를 발표한 호주 맥콰리대 행성 과학자인 크레이그 오닐(Craig O’Neill) 교수는 “판 구조는 생명이 거주하기 위해 중요한데, 은하 생성 초기에 형성된 행성들에 최적 조건의 판 구조가 존재했던 것으로 보이며, 이런 일은 쉽게 일어나지 못한다”고 밝혔다. 생명체에게 이 같은 상황은 매우 좋은 조건이었다는 것이다.

은하 생성 초기에 형성된 행성들에 생명체가 생겨날 가능성이 높다는 연구가 나왔다. 3000만 광년 떨어져 있는 M51 나선 은하가 왼쪽 위의 작은 은하와 합쳐지는 모습. ⓒ NASA/JPL-Caltech.

판 구조가 생명 진화 조건 만들어

멀리 떨어져 있는 항성 주위를 도는 행성인 외계행성(exoplanets)들 가운데 일부는 생명체를 보유하고 있을 가능성 때문에 그동안 큰 관심을 끌어왔다.

오닐 교수는 “외계행성은 지구에서 매우 멀리 떨어져 있어 이 행성들에 대한 정보는 제한돼 있다”며, “그러나 이 외계행성들의 위치와 온도, 얼마간의 지화학적 정보 같은 몇몇 요소들을 이해할 수 있어 이 행성들이 어떻게 발달했는지를 모델링 할 수 있다”고 밝혔다.

연구팀은 호주 국립 컴퓨팅 시설의 수백 개 프로세서를 동원된 거대한 시뮬레이션을 사용해 아스펙트(ASPECT; Advanced Solver for Problems in Earth’s ConvecTion) 지질역학 코드를 통해 매개변수를 실행하고, 여기에서 행성의 내부 발달을 시뮬레이션했다.

오닐 교수팀은 이를 통해 많은 초기 행성들이 생명의 발달에 유리한 판 구조를 발달시키는 경향이 있었다는 사실을 보여줄 수 있었다.

오닐 교수는 “판 구조는 지구에서 일종의 온도조절기 역할을 해 생명이 진화할 수 있는 조건을 창출한다”며, “지구의 핵에는 철분이 많고 이는 지각판 발달에 필요한 것으로 생각된다”고 말했다.

그러나 그는 “타이밍이 맞으면 철분이 적은 행성에서도 판 구조가 발생할 수 있다는 사실을 발견했고, 이는 완전히 예기치 못한 일이었다”고 덧붙였다.

행성의 판 구조는 온도조절 장치 역할을 해 자기장을 발달시키는데 기여하고, 자기장은 태양 복사 등으로부터 대기를 보호해 생명이 유지될 수 있는 조건을 만든다. 지구 내부 구조의 절단면을 나타낸 그림. ⓒ USGS

판 구조 발달 안 되면 자기장 발달 저해

판 구조 발달은 중요한 연쇄반응 효과를 일으킨다. 오닐 교수는 “나중에 형성된 행성들은 판 구조를 발달시키지 못했을 수 있으며, 이는 내장 온도조절 장치를 가지고 있지 않음을 의미하고, 그럴 경우 표면 온도에만 영향을 미치지 않고 핵이 계속 뜨거운 상태를 유지토록 함으로써 자기장 발달을 방해함을 뜻한다”고 설명했다.

자기장이 없으면 행성은 태양 복사로부터 보호받지 못해 대기를 잃어버릴 수 있고, 따라서 생명이 유지되기가 어렵다. 생명이 유지되려면 행성은 제때에 올바른 위치와 올바른 지화학적 속성을 갖는 행운이 뒤따를 필요가 있다는 것.

연구팀은 시간이 지남에 따라 물질들이 별과 행성체들에 합쳐지거나 혹은 초신성을 통해 추방되는 등의 다양한 이유로, 우리 은하계의 전반적인 화학적 균형이 바뀐다는 사실을 알았다.

이는 행성들을 형성하는데 사용되는 성간 물질이 초기 은하 때 이용 가능했던 물질과는 상당히 다르다는 사실을 의미한다.

오닐 교수는 “따라서 초기에 형성된 행성들은 생명이 발달하기에 유리한 조건이었고, 이런 조건들은 우리 은하에서 점차 희박해지고 있다”고 밝혔다.

우리 은하계에서 태양과 가장 가까운 항성들. ⓒ NASA/Penn State University

관측과 시뮬레이션 결합해 행성 진화 확인

6월 5일 현재 미 항공우주국(NASA)은 우리 은하에서 모두 4158개의 외계행성을 탐지해 냈다. 가장 가까운 외계행성들은 지구에서 약 4광년 떨어진 항성 프록시마 센터우리(Proxima Centauri)를 도는 행성들이다.

이번 연구 작업에 참여하지 않은 런던 자연사박물관 행성물질 그룹장인 사라 러셀(Sara Russell) 교수는 “지난 몇 년 동안 NASA의 케플러 임무와 같은 놀라운 프로젝트를 통해 다른 별 주위를 도는 수천 개의 행성들이 발견됐으나, 이런 외계행성 관측만으로는 매우 기본적인 정보만을 얻을 수 있다”고 지적하고, “관측 작업을 이번 연구와 같은 대규모 시뮬레이션 프로젝트와 결합하는 일은 은하 진화의 서로 다른 단계들에서 형성된 행성들의 지질학적 진화에 대한 정보를 알 수 있어 매우 중요하다”고 평가했다.

러셀 교수는 “이번 연구를 통해 이런 기이한 세계들이 어떤 모습이고, 어떻게 생명체가 거주 가능한지에 대한 그림을 구축할 수 있게 됐다”고 말했다.

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