천문학자들은 외계 생명체를 찾기 위해 지구로부터 수 광년 떨어져 있는 행성들을 샅샅이 뒤지고 있다. 이를 위해서는 멀리 있는 생명체를 확인할 수 있는 방법이 필요한데, 생명체 존재의 좋은 증거로 제시할 만한 것은 무엇일까?

우리 행성인 지구가 그에 대해 얼마 간의 영감을 준다. 바로 미생물이 대기에 메탄을 뿜어내고, 광합성 식물이 산소를 배출한다는 점이다. 그래서 과학자들은 생명체가 있는 곳이라면 어디든 이런 기체가 존재할 것으로 생각하고 있다.

그러나 지구와는 매우 다른 환경을 지닌 외계에서 생명으로 추정되는 신호는 비생물학적 과정에 의해 나타날 수 있다.

미국 콜로라도대(볼더) 천문학자인 케빈 프랜스(Kevin France) 조교수는 그런 신호를 포착했을 때 그것이 진정한 생명체 신호인가를 알기 위해서는 행성 자체만이 아니라 그 행성이 공전하는 항성(star)을 살펴봐야 한다고 말한다.

프랜스 교수팀은 이런 목적을 위해 ‘시스틴(SISTINE)’이라는 별빛 관측 계획을 설계해 두 차례에 걸쳐 관측 로켓을 발사할 예정이다. ‘시스틴’은 ‘근거리 외계 항성의 천이 영역 방사에 대한 탄도비행 분광 탐사(SISTINE; Suborbital Imaging Spectrograph for Transition region Irradiance from Nearby Exoplanet host stars)’의 약자다.

우리나라 시간으로 5일 저녁 미국 뉴멕시코주 화이트 샌즈 미사일 발사장에서 발사되는 첫 번째 탐사 로켓은 15분 동안 비행하면서 원거리의 항성들을 관측해 이 항성을 도는 행성들의 생명체 신호 여부 해석에 도움을 줄 예정이다.

지구와는 다른 환경 감안해야

약 46억 년 전 지구가 형성된 직후 지구는 유해한 대기로 둘러싸여 있었다. 화산이 폭발하며 메탄가스와 유황을 뿜어냈고, 공기 중에는 오늘날보다 200배나 많은 이산화탄소가 가득 찼다.

산소 원자 두 개를 가진 산소 분자가 나타난 것은 그 뒤 15억 년이 지나서였다. 산소는 고대 박테리아가 광합성을 통해 배출하는 폐기물이었다.

그러나 이것은 대산소화사건(the Great Oxidization Event)을 촉발했고, 지구 대기를 영구적으로 변화시켜 더 복잡한 형태의 생명체가 살 수 있는 길을 열었다.

프랜스 교수는 “먄약 그렇게 지표에 사는 생명체가 없었다면 지구 대기에 대량의 산소는 존재하지 못했을 것”이라고 말했다.

산소는 생명과 관련된 화학 화합물로서 생체표지자(biomarker)로 알려져 있다. 지구 대기에 산소가 존재한다는 것은 그 아래에 생명체가 산다는 것을 암시한다.

그러나 현재 정교한 컴퓨터 모델들이 보여주듯이, 지구상의 생체표지자가 태양계 밖 외계행성이나 우주 도처의 항성을 도는 행성들에서도 똑같이 신뢰할 만하게 적용되는 것은 아니다.

화학적으로 산소 발생할 수도

프랜스 교수는 M형 왜성(M-dwarf)들이 그런 경우라고 지적했다. 우리의 태양보다 더 작고 차가운 M형 왜성들은 은하수 별 집단의 거의 4분의 3을 차지할 만큼 많은 것으로 추산된다.

이 M형 왜성 주위를 도는 외계 행성들을 이해하기 위해 과학자들이 지구 크기의 이 행성들을 시뮬레이션한 결과, 지구와의 차이점이 바로 나타났다.

M형 왜성들은 강력한 자외선을 발생한다. 이 자외선이 지구 크기로 시뮬레이션된 행성에 부딪히자 이산화탄소로부터 탄소를 떼어내 자유 산소 분자가 생성됐다.

자외선은 또한 수증기 분자를 분해해 단일 산소 원자가 방출됐다. 이런 방식으로 대기에 산소가 생성됐으나 생명체는 없었다.

프랜스 교수는 “우리는 이를 허위-양성(false-positive) 생체표지자라고 부른다”며, “광화학 단독으로도 지구와 유사한 행성에서 산소를 만들어낼 수 있다”고 설명했다.

생명체가 없이도 지구가 낮은 산소 농도를 유지했던 것은 태양과의 상호작용에 따른 일종의 요행이었다. 연구팀은 다른 항성들의 행성 시스템은 이와는 다를 것으로 보고 있다.

프랜스 교수는 “만약 우리가 행성의 대기만을 이해하고, 그 행성이 공전하는 항성을 모른다면 아마도 일을 그르치게 될 것”이라고 말했다.

행성을 알기 위해 항성을 연구

프랜스 교수팀은 항성들에 대해 그리고 이 항성들이 행성의 대기에 미치는 영향을 한층 잘 이해하기 위해 ‘시스틴(SISTINE)’을 설계했다. 시스틴은 이들 별(항성)에서 나오는 고에너지 방사선을 측정하게 된다.

연구팀은 이 측정을 통해 호스트 항성들의 스펙트럼에 대한 지식과 더불어 항성을 도는 행성에서 나타나는 허위-양성 생체표지자의 진정성 여부를 잘 구별해 낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.

시스틴은 빛을 구성요소별로 분리해 내는 분광기를 사용해 측정한다.

이 방법을 채용한 미 항공우주국(NASA) 고다드 우주비행센터의 천문학자 제인 릭비(Jane Rigby) 박사는 “빛의 스펙트럼은 마치 지문과 같다”며, “지구에서나 혹은 우주를 관찰할 때 이를 통해 대상이 무엇으로 만들어졌는지를 알아낼 수 있다”고 말했다.

시스틴은 원자외선 범위인 100~160 나노미터 파장의 스펙트럼을 측정하는데, 이 범위에서는  허위-양성 신호를 발생하는 산소 생성도 가능하다. 이 범위에서 빛의 산출량은 별의 질량에 따라 다르다.

시스틴은 또한 한꺼번에 강렬한 원자외선을 방출하는 화염이나 밝은 별의 폭발을 측정할 수 있다. 화염이 잦으면 생명체가 거주 가능한 환경을 치명적인 곳으로 바꿀 수 있다.

시스틴 미션 수행을 위해 탐사장비는 블랙 브랜트 IX(Black Brant IX) 관측 로켓에 탑재돼 발사된다. 이 발사 로켓은 우주를 향해 발사된 뒤 지구로 떨어지기 전에 약 5분 정도의 짧은 관측 임무를 수행하게 된다.

비록 짧은 시간이기는 하지만 시스틴은 허블 우주망원경 등이 볼 수 없는 파장으로 항성들을 관측할 수 있다.

두 차례 로켓 발사해 탐사 임무 수행

이번 미션을 위해 두 번의 로켓 발사가 예정돼 있다. 하나는 5일 화이트 샌즈 발사장에서 발사되는 것으로, 관측 장비 등을 정확하게 조정하는 것이 목표다.

이번 첫 발사에서는 지구로부터 174마일을 날아가 2000광년 떨어진 백조자리에 있는 백색 왜성 주위의 가스 구름인 NGC6826을 관측할 예정이다.

NGC6826은 밝은 자외선이 나오고 예리한 스펙트럼 라인을 보여주기 때문에 장비를 점검할 수 있는 명확한 목표가 된다.

첫 발사를 통해 장비를 조정한 뒤, 2020년에 호주 뉼런바이 안헴(Arnhem) 우주센터에서 두 번째 로켓을 쏘아 알파 센터우리(Alpha Centauri) A와 B 항성의 자외선 스펙트럼을 관측할 계획이다.

지구에서 4.37 광년 떨어진 이 별들은 지구에서 가장 가까운 이웃 별들로, 외계 행성 관측의 주요 타깃으로 꼽힌다.

시스틴의 관측과 여기에 사용된 기술들은 모두 미래의 탐사 임무를 염두에 두고 설계돼, 2021년 발사 예정인 NASA의 제임스 웹 우주망원경도 볼 수 없는 파장으로 항성들이 내는 빛을 파악할 수 있다.

앞으로 NASA의 외계행성 탐색 위성인 TESS와 제임스 웹 우주망원경, ‘시스틴’의 탐사자료 등이 보완, 융합되면 외계 생명체 탐사가 한층 구체화, 가속화될 것으로 기대된다.