지구와 비슷하지만 무거운 ‘슈퍼지구’

태양계엔 없는 슈퍼지구의 연구가치

2011.05.04 00:00 조재형 객원기자

최근 미 항공우주국(NASA)이 케플러 망원경의 자료를 분석한 결과 우리 은하에 지구와 비슷한 행성이 20억개 정도 있을 것으로 추정했다. 그 중에는 지구와 모든 면에서 매우 흡사한 행성들도 존재하겠지만 그렇지 않은 것도 있다.

보통 ‘지구형 행성’이라 함은 기체가 아닌 암석으로 이뤄져 있어 비교적 밀도가 높은 행성들을 말한다. 하지만 모두 지구와 흡사한 모습을 하고 있다고 생각할 수는 없다.

지구보다 월등히 크고 무겁거나 뜨거울 수도, 차가울 수도 있다. 겉모습 이외에도 여러 가지 환경 요소들이 지구와는 무척이나 다른 모습을 하고 있는 경우가 많다. 최대한 지구와 흡사한 환경의 행성들에 대해 연구하는 것이 외계생명체의 발견 면에서는 유리할 수 있겠지만, 지구형 행성이면서도 지구와는 매우 이질적인 환경을 가지고 있는 행성에도 과학자들은 많은 관심을 가지고 있다.

가장 밀도 높은 지구형 행성 ‘55 Cancri e’

한 예로 최근 천문학자들의 관심을 한 몸에 받아온 행성이 있다. 지구에서 약 40광년 떨어진 곳, ‘게자리’로 알려져 있는 별자리를 이루는 항성 중 ‘55 Cancri A’ 라고 명명된 항성은 태양처럼 여러 행성들을 거느리고 있는 것으로 확인됐다. 이는 미 항공우주국(NASA)의 ‘지구형 행성 탐사계획’에서 지정한 100개 항성 중 63번째 순위를 차지하고 있기도 하다.

그 중에서도 주목받고 있는 행성은 ‘55 Cancri e’. 특별한 이름 없이 학명으로만 불리고 있기는 하지만 이 행성은 여태껏 발견한 것 중 가장 밀도가 높은 암석 행성이다. 지구는 태양계에서도 가장 밀도가 높은 행성이지만 이 행성은 지구보다 밀도가 약 2배나 더 높다. 직경은 지구보다 60%가 크지만 질량은 무려 8배나 더 큰 것이다.

최근 메사추세츠공대(MIT), 브리티시 콜롬비아대(UBC), 하버드-스미소니언 천체물리학 센터, 캘리포니아대 천문학자들로 구성된 국제연구팀이 55 Cancri e 행성의 베일을 벗겨내기 위한 연구를 진행했다.

우선 이 행성은 시간부터가 지구와는 확연히 다르다. 이곳의 1년은 지구의 18시간에 불과하다. UBC의 천문학자 제이미 매튜스는 “이 곳에서 날짜를 확인하기 위해선 달력이 아닌 손목시계를 보면 된다”고 말했다.

또한 이 행성의 표면 온도는 섭씨 2천700도 이상일 것으로 예측된다. MIT의 조쉬 윈은 “이 지옥을 방불케 하는 열 때문에 55 Cancri e 행성은 대기를 가지고 있을 것 같지는 않아 보인다”고 설명했다. 그 뿐만 아니다. 이 행성에서는 지구의 3배에 달하는 중력이 존재하며 낮에 뜨는 해는 우리의 태양보다 60배나 크고 3천600배나 밝을 것으로 예상된다. 윈은 “55 Cancri e 는 행성의 형성과 진화, 생존에 대한 이론을 확인할 수 있는 훌륭한 실험실이다”라고 말했다.

슈퍼지구, 행성 생성 및 진화에 연구 가치 높아

이처럼 설사 생명체 존재 확률이 낮다고 하더라도 지구형 행성은 여러 모로 연구 가치가 높다. 특히 55 Cancri e 와 같이 지구와 비슷하지만 질량이 지구의 2~10배 정도로 큰 행성을 일명 ‘슈퍼지구’라 부르는데 이들은 오래 전부터 많은 관심의 대상이 돼 왔다. 우선 태양계엔 지구보다 작거나 가벼운 지구형 행성들이 있지만 슈퍼지구는 존재하지 않는다. 

슈퍼지구는 지구와 비슷하면서도 매우 이질적인 환경을 가지고 있을 것으로 보이기 때문에 많은 학자들이 관심을 가진다. 그것은 비단 호기심 때문만이 아니다. 지구와 비슷하면서 더욱 극단적인 조건을 가지고 있기 때문에 천체물리학, 지질학, 기상학 등 여러 학문의 관점에서 충분한 연구 가치를 가지고 있다.

기본적으로 질량이 몇 배가 차이가 난다면 크기 또한 지구보다 클 것이다. 또한 지표에서 느끼는 중력도 지구보다 크다. 질량과 중력이 크기 때문에 행성 내부를 구성하는 물질의 성분이나 비율이 다를 것이다. 이런 특징들은 지구의 환경에 비해 많은 차이를 만들어 낼 것으로 보인다.

자전·공전 주기의 차이는 물론 대기와 해류의 움직임, 높은 중력에 따라 진화하는 생명체의 형태, 지각을 이루는 물질과 지각변동의 형태 등이 그것들이다. 물론 영화나 소설 등에서 다양한 형태의 행성과 그 환경들이 상상으로 많이 만들어져 왔지만 실존하는 행성을 놓고 예측한 모습들은 과학적 근거를 가지고 있기 때문에라도 더욱 신비롭게 느껴진다.

슈퍼지구는 생명체 존재의 유력한 후보?

모든 환경이 지구와 닮아 생명체가 존재할 확률이 높은 슈퍼지구도 있다. 우선 암석질로 이뤄져 있다는 것만으로도 슈퍼지구는 생명체가 살아가기 매우 적합한 후보다.

행성이라고 모두 땅이 있고 하늘이 있는 것은 아니다. 목성이나 토성은 기체로 이루어진 행성이다. 설사 적절한 온도와 빛이 주어진다 하더라도 생명체가 안정적으로 살아가기엔 무리일 수밖에 없다. 반면 지구는 작지만 밀도가 높은 금속과 암석으로 이뤄져 있어 많은 도움이 된다.

지구 내부 핵을 이루고 있을 것으로 여겨지는 철과 니켈 등의 밀도 높은 금속 성분들은 지구에 자기장을 존재할 수 있게 해 해로운 우주선과 태양풍 등으로부터 지구를 보호한다. 단단한 암석으로 이루어진 지각은 생명체들이 안정적으로 살아갈 수 있게 해주며 인류가 건축물을 비롯한 여러 구조물들을 만들어 사용할 수 있게 해주고 있다.

이와 비슷한 환경을 갖춘 슈퍼지구가 모항성과의 거리가 너무 멀지도, 가깝지도 않은 적절한 거리인 ‘골디락스 존’에 위치해 있다면 생명체 존재 확률이 매우 높다. 그렇다할지라도 지구보다 질량이 몇 배나 큰 슈퍼지구라면 아무리 다른 환경이 비슷하다 하더라도 우려되는 것이 있다. 바로 어마어마한 중력이다.

하지만 최근의 한 연구결과는 슈퍼지구에서 볼 수 있는 정도의 중력이 생명체에게 그다지 큰 영향을 주지는 않을 것이라 말해준다. 일본의 규슈대, 류큐대, 스웨덴 계면화학연구소가 참여한 공동연구팀이 지구보다 무려 40만 배가 높은 중력 하에서도 미생물이 존재할 수 있음을 발견한 것이다. 이는 생명체 존재에 있어 중력의 차이가 제한적인 요소가 아님을 말해주는 결과다. 질량이 큰 슈퍼지구라 할지라도 지구 중력의 수 배 정도밖에 되지 않기 때문이다. 물론 높은 중력이라는 환경에 따라 그에 적응하기 위한 모습으로 진화한 정도의 차이가 있을 것으로 예상된다.

게다가 슈퍼지구는 우리의 태양과 같은 항성보다는 별의 진화과정을 거치지 않는 적색 왜성이나 마지막 단계에 다다른 백색 왜성과 같은 항성의 주변에 흔히 존재하는 것으로 알려져 있다. 이 항성들의 경우 지극히 오랜 시간동안 안정된 모습으로 지속돼 왔으며 앞으로도 그럴 것이기 때문에 생명체 존재 확률은 더 높을 수도 있다. 태양이 진화와 함께 점점 부풀어 올라 결국 지구는 생명이 살 수 없는 행성이 될 운명을 가진 것과는 달리 이들 항성계 내에서는 유사한 위험요소가 없기 때문이다.

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