생명체가 존재할 가능성이 있는 지구보다 큰 지구 모양의 행성을 슈퍼 지구(super-Earth)라고 한다.

지구형 행성 중에서도 지구보다 질량이 2~10배 큰 천체로, 중력이 강해 대기가 안정적이고 화산 폭발 등 지각운동이 활발해 생명체가 있을 가능성이 크다고 보는 행성을 말한다.

지난 2018년 우주망원경 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)를 발사한 미항공우주국(NASA)은 이 망원경을 통해 태양계 외부 항성계 시스템을 탐사해왔다. 최종 목표는 태양과 같은 항성을 공전하고 있는 행성을 발견하는 게 목표였다.

외계행성학, TESS로 신개척 시대 도래

세계는 TESS를 통해 지구처럼 생명체가 살고 있는 행성을 찾아낼 수 있을지 깊은 관심을 갖고 탐사 결과를 기다려왔다.

그리고 최근 이전에 몰랐던 새로운 사실들이 밝혀지고 있다.

30일 ‘사이언스’, ‘space.com’, ‘MIT 뉴스’ 등 주요 과학언론들은 NASA가 TESS를 통해 태양계 바깥 지구로부터 3광년 떨어진 곳에서 1개의 항성과 이 항성을 돌고 있는 3개의 행성을 발견했다고 보도했다.

항성의 명칭은 ‘TOI-270’이고, 행성들의 명칭은 ‘TOI-270b’, ‘TOI-270c’, ‘TOI-270d’이다. 이중 ‘TOI-270b’은 지구보다 1.2배 크고, 나머지 둘은 지구보다 훨씬 크지만 해왕성보다 작은 것으로 관측됐다.

연구 논문은 ‘네이처 천문학(Nature Astronomy)’ 지 29일 자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘A super-Earth and two sub-Neptunes transiting the nearby and quiet M dwarf TOI-270’이다.

연구팀은 논문을 통해 외계행성학(exoplanetary science)의 근본적인 목표는 별들 사이에서 움직이고 있는 지구와 같은 행성들을 탐사하는 일이라고 말했다.

지난 1년여 동안 첨단 우주망원경인 TESS를 통해 그동안 밝혀내지 못한 행성 크기(size), 궤도(orbit), 대기(atmosphere), 행성 생성의 역사 등을 연구해왔다고 밝혔다.

그리고 태양계로부터 3광년 떨어진 곳에서 태양계와 흡사한 항성과 행성들을 찾아내 연구를 진행했으며, 이들 별과 행성들이 태양계와는 매우 다른 시스템을 형성하고 있다는 사실을 확인했다고 말했다.

‘TOI-270’을 공전하면서 중력으로 서로 영향을 미치고 있었다는 것. 마치 공명의 사슬(chain of resonance) 안에 서로 묶여 있는 것처럼 영향을 주고받으면서 궤도 주기(orbital periods)에 독특한 패턴을 만들어내고 있었다고 말했다.

대기권 형성 불가능… 생명 탄생 불가능

MIT 카블리 천문학 우주연구소의 우주물리학자 막시밀리언 귄터(Maximilian Günther) 교수는 이번 발견을 ‘디즈니랜드(Disneyland)’에 비유했다.

그는 ‘TOI-270’와 3개의 행성이 태양계와 같은 비슷한 모습을 보이면서 실제로 그 내용 면에 있어서는 태양계와 다른 새로운 세상을 보여주고 있다.”며, “향후 외계행성학(exoplanet science) 연구에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다.”고 말했다.

그러나 생명체가 존재할 가능성은 희박한 것으로 나타났다. 귄터 교수는 “(지구 생명체를 기준으로 했을 때) 3개에 행성 중 어느 하나에서도 생명체가 탄생할 수 있는 환경을 조성하고 있는 행성은 없었다.”고 말했다.

카블리 천문학 우주연구소에 따르면 행성들이 공전하고 있는 항성 ‘TOI-270’은 태양의 0.4배 크기로 표면 온도는 강렬했지만 태양보다는 차가운 것으로 나타났다.

표면 역시 액체수(liquid water)와 같은 물질로 뒤덮여 있는 것처럼 보였는데 이 물질이 무엇인지에 대해서는 향후 추가 연구가 진행돼야 할 것으로 전망했다.

생명체 존재 여부를 결정짓는 기준으로 공전 주기가 있다.

공전 주기가 지구에 비해서 너무 빠를 경우 대기권을 형성하지 못하고, 항성으로부터 전해진 뜨거운 열을 차단하지 못해 생명체가 살 수 없다는 것.

귄터 교수는 “암석 행성(rocky planet)으로 생명체가 존재할 가능성이 있다고 본 ‘TOI-270b’의 경우 공전 주기가 3.4일에 불과했다.”고 말했다. “또 궤도 방향 역시 매우 불규칙해 생명체가 존재할 가능성은 거의 없다.”고 말했다.

또 다른 행성인 ‘TOI-270c’은 지구보다 2.42배 컸는데 공전주기는 5.7일로, 또 다른 행성인 ‘TOI-270d’은 지구의 2.13배로 공전주기는 11.4일로 나타났다.

연구진은 이들 행성들의 공전주기가 ‘TOI-270b’보다는 길어 대기권을 형성한다할지라도 외부로부터 전해지는 열을 차단할 수는 없을 것으로 보여 생명체 존재 가능성도 역시 없는 것으로 보고 있다.

흥미로운 사실은 항성인 ‘TOI-270’과 3개의 행성 ‘TOI-270b’, ‘TOI-270c’, ‘TOI-270d’가 지속적인 움직임을 보이는 것이 아니라 주기적으로 서로 영향을 주고받으면서 퍼즐을 짜맞춘 듯이 공통적인 움직임을 보이고 있다는 점이다.

이에 권터 교수는 “향후 후속 연구를 통해 다른 별들과 행성들이 어떤 식으로 우주를 형성하고 있는지 세부적인 사항들을 탐사해나가겠다.”고 말했다.