앞서 설명한대로 (46억 년 전 우리에게 무슨 일이 있었을까? (2) 참조), 계속될 인류의 역사를 위해서는 외계행성 탐색이 필수 입니다. 다행히, 이는 물리학의 최종 목표이기도 합니다. 외계 행성이란 말 그대로 우리 태양계밖의 행성을 뜻합니다. 따라서 이들은 우리 태양이 아닌 다른 별을 공전하고 있습니다. 대략 4천개정도의 외계행성이 발견된 가운데, 이중에서 다행스럽게도 인류의 거주에 친화적인 환경을 지니고 있는 행성들도 꽤 됩니다. 이는 높은 확률은 아닙니다. 우리 은하에만 수십억개 이상의 행성이 존재할 것이라고 예상되기 때문이죠. 이중 인류에 친화적인 행성을 찾으려면, 온도가 가장 중요합니다. 즉 태양이나 별로 부터 얼마나 떨어져 있는지에 따라서 생명체 거주 가능지역을 평가하기에 적당한 거리를 두고 별을 공전하는 행성이 필요합니다. 적당한 거리는 적당한 온도를 뜻할 뿐 아니라, 물의 승화 반응이 일어나지 않기에 물의 존재도 암시할 수 있어서 여러가지로 좋은 조건을 가지고 있습니다. 어떠한 이유로 인해서 적당한 거리의 행성에 물이 존재하게 되고 또한 자외선을 막을 수 있는 대기가 생기게 된다면 (산소, 오존의 존재가 필요) 위 행성엔 생명체가 살지 않는것이 오히려 더 이상합니다. 우리는 이러한 행성이 존재할 수 있는 적당한 거리의 공간을 생명체 거주 가능 영역 (Habitable Zone; HZ) 이라고 부릅니다 (그림 1에서 파란 부분). 즉, 이 영역은 한 항성 주위에서 지구와 비슷한 생명체가 발생할 수 있는 행성의 공전 영역을 말합니다. 생명체 거주 가능 영역에 관여하는 가장 대표적인 변수 로는 태양의 크기 (온도나 태양과의 거리) 가 있습니다. 그림1 에서 태양의 생명체 거주가능영역보다 글리 제581의 거주가능영역이 훨씬 더 별로 부터 가까운것을 볼 수 있습니다. 이는 적색 왜성인 글리제581의 표면 온도가 훨씬 더 낮다는것을 의미합니다. 태양의 경우 우리 지구와 화성이 완벽하게 생명체 거주 가능 영역에 들어와 있는것을 볼 수 있습니다. 이는 화성도 인간이 물과 대기문제만 해결한다면, 온도상으로는 충분히 정착할 수 있는 행성이라는 것을 의미합니다.
그림 1. 생명체 거주 가능영역 (파란색 부분) Credit: NASA
생명체 거주 가능영역을 ‘Goldilocks Zone’ (“골디락스와 곰 세마리이야기 : 금발소녀 ‘골디락스’가 숲에서 곰의 집을 찾았는데, 아무도 없어서 들어가니 탁자 위에 죽 3그릇 이 있었습니다. 첫번째 스프는 너무 뜨겁고, 두번째 스프는 너무 식었고, 세번째 스프가 적당했기에 그것을 먹었습니다. 그 후, 피곤 해서 앉으려고 하는데 의자 3개가 있었고, 이 역시 첫번째 것은 너무 크고, 두번째 것은 너무 작고, 세번째 것이 적당하여 앉았으나 부서지게 됩니다. 이 소녀는 졸려서 자려고 침실로 가보니 침대 3개가 있었습니다. 첫번째 것은 너무 딱딱하고, 두번째 것은 너무 푹신하고, 세번째 것이 적당하여 거기서 잠을 잤습니다. 이 후 곰 3마리가 복귀했고 누군가 죽을 먹은 것, 의자가 부서진 것, 침대 에 누군가 자고 있는 것을 발견하여, 화가 난 곰들이 소리를 지르자, 잠이 깬 골디락스는 곰을 보고 놀라 도망친다는 내용입니다. 과하지도 않고 모자라지도 않아 꼭 맞는 것을 찾는다는 점에 빗대어, 생명체가 생존 가능한 항성 주위 생명체 거주가능 영역을 두 고 일명 골디락스 존이라고 부릅니다.”)이라고도 부르는데, 우리 태양계의 이 골디락스존 (Goldilocks Zone)은 0.95 천문단위(“지구에서 태양까지의 거리”)에서 1.15 천문단위범위입니다.
하지만 이 골디락스 존에 있다고 해서 생명체가 꼭 살 수 있는 것은 아닙니다. 먼저 분광기를 통한 정밀 대기 관측으로 어떤 기체가 그 행성에 존재하고 있는지의 연구가 필요합니다. 온실 효과가 없다고 가정했을 시 우리 지구의 표면 온도는 대략 평균 영하 18도정도 되기 때문입니다. 따라서 대기또한 무시못할 중요한 조건이 됩니다. 대기가 온실효과를 유발해서 온화한 온도 아래에 물이 있다면 더 없이 생명체가 살기 좋은 조건이 될 것입니다.
외계 행성을 찾는 CARMENES 팀
– M등급의 별에 주목하자
알려진 대부분의 외계 행성들은 우리 태양과 비슷한 별(분광형으로는 F, G, K형 주계열성)을 돌고 있습니다. 태양과 비슷한 별들 주위에서 행성들이 많이 발견된 이유는 다름이 아닌, 행성 탐사 계획들이 이러한 별들을 집중적으로 관측하도록 설계되었기 때문, 그 뿐이었습니다. 하지만, 질량이 작은 별들은 질량이 큰 별보다 행성을 가질 확률이 작지만, 행성을 거느리게 된다면 질량이 큰 별보다는 훨씬 안전한 상태에서 행성을 거느리고 있을 수 있습니다. 별들을 밝기별로 나타낸 H-R 도표 (Hertzsprung–Russell diagram, 그림 2) 에 따르면 수많은 별들을 온도에 따라서 나눌 수 있습니다. 천문학에서는 이를 간단히 외우기 위해서 “Oh Be A Fine Girl/Guy Kiss Me”라고 부르는데 O등급의 별일 수록 뜨거운 별이고 M등급의 별일 수록 차가운 별입니 다. 차가울 수록 빨간별이기에 (빨간색은 긴파장 – 파장이 길수록 온도는 낮기에), 작고 차가운 M등급의 별을 우리는 ‘적색 왜성’이라고 부릅니다. 이에 따라서 천문학에서 “빨갛다는것”은 “온도가 낮음”을 의미하며 “긴 파장”을 의미합니다.
그림 2. H-R 도표 (Hertzsprung–Russell diagram) Credit: NASA
또한 우리가 M등급의 별에 집중해야하는 이유가 있습니다. 질량이 작은 별일 수록 좀 더 높은 시선속도의 변화를 나타내 주기 때문에 대부분의 행성관측 방법인 시선속도 변화 관측에 상대적으로 용이합니다. 또한, 우주의 별 대부분은 (통계에 따르면, 적게는 75%에서 많게는 90%정도의 별) 적색 왜성인만큼 일단 높은 생명체 거주 가능성을 내포하고 있습니다. 작고 온도가 낮은 별인 관계로 발산하는 에너지의 흐름양이 적기에 적색 왜성은 아주 느리게 진화하며 대부분의 시간동안 거의 일정한 광도를 가지고 있습니다. 이론에 따르면 너무 느린 진화속도 덕에 몇조년의 시간이 흐르기전까지 그들의 연료는 고갈되지 않습니다. 이에 따라서, 한가지 재미있는 사실이 있습니다. 이를 우주의 나이와 비교를 해본다면, 적색 왜성의 나이가 오히려 우주의 나이보다 길기 때문에 적색 왜성의 추후 진화과정이 진행 (청색왜성 이라 일컫는 별) 되고 있는 항성은 존재하지 않습니다 (아직까지 발견된 바도 없습니다.)
물론, 적색 왜성 주변을 도는 행성이 있고, 이 행성이 액체 물의 증발이 일어나지 않는 온도를 지닌 공전궤도에 있다고 가정하더라도, 생명체가 살 수 있는지의 여부에는 논란이 있습니다. 모항성이 무한에 가까운 수명 을 지니고 있지만 여러 가지 이유로 인해 인류가 살 수 있는 가능성을 방해하기 때문입니다. 일단 적색 왜성은 매우 어둡기 때문에, 행성이 태양에 매우 가까이 붙어서 돌아야 합니다. 그러나 가까운 거리로 말미암아 조석 고정 (tidal locking) 현상이 발생하면 기조력 때문에 행성의 한 면만 모항성을 바라보며 돌게 됩 니다. 즉 행성의 한쪽면은 영원한 낮, 반대쪽은 영원한 밤이 계속 된다는 뜻입니다. 이런 환경에서는 생명체가 안정적으로 진화하기가 힘들어지지만, 최근 연구에 따르면 행성의 대기가 충분히 두꺼울 경우엔 한 쪽의 열을 반대쪽으로 이동시켜서 행성 전체의 온도가 고르게 유지될 수 있다고 주장하기에 이 악조건을 피해 갈 수 있습니다. 태양은 대부분의 빛을 가시광선형태로 분출하지만, 차가운 별인 적색 왜성은 대부분 적외선을 방출합니다. 이는 식물의 광합성 작용에 부적합한 파장이기에 생명체 거주에 문제가 될 가능성이 있습니다. 또 적색왜성 차가운 온도 탓에 자외선을 거의 분출하지 않기에, 이 역시 생명체에 좋은 조건은 아닙니다. 가장 큰 문제점으로, 적색 왜성 표면에 많은 흑점이 존재할 것으로 예상되는데 이는 왜성이 방출하는 빛의 양을 불규칙하게 만들 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 우주에서 너무 풍부한 적색 왜성이 거느리고 있는 생명체 거주행성을 찾기 위한 연구와 탐험이 계속 되고 있습니다. 적색 왜성과 생명체 거주행성을 찾는 연구는 천문학에서 가장 큰 비율을 차지하고 있는 프로젝트 분야기도 합니다.
지구와 비슷한 외계 행성을 찾기 위해 시작된 CARMENES 프로 젝트 (CARMENES: Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs) 는 이전까지 볼 수 없었던 새로운 천문학 프로젝트 입니다. 스페인과 독일의 11개 연구소 소속 과학자들과 공학자들이 프로젝트의 고안과 장비설계에 직접 참여하고 있는 CARMENES 팀은 5년간의 준비기간을 거쳐 최첨단의 천체관측장비들을 개발하였습니다. CARMENES 프로젝트는 독일 막스 플랑크 협회 (Max Planck Society, MPG) 와 스페인 국립 연구의회 (Consejo Superior de Investigaciones Científicas, CSIC) 에서 공동으로 운영하고 있는 Calar Alto 천문대 (Almería, Spain) 에 설치된 3.5미터 망원경을 통해 관측을 수행합니다. 2016년 1월 1일, 성공적인 첫 관측을 통해 두번째 지구를 찾기 위한 중대한 첫 발자국을 내딛게 된 CARMENES 프로젝트는 외계 행성 발견에 최적화 되어있는 두 개의 분광기 (가시광선영역 분광기와 적외선영역 분광기) 를 가지고 있습니다. 이는 우주탐사의 최대 화두인 두번째 지구를 찾는 데에 있어서 중요한 이정표가 될 것입니다.
지금까지 발견된 외계 행성들 대부분은 생명체가 살 수 있는 좋은 환경이 아닙니다. 따라서 CARMENES 는 M왜성 (적색 왜성) 이라 불리우는 별들을 공전하고 있는 외계 행성을 찾고 있습니다. 그들은 매우 작은 별들이며, CARMENES 프로젝트가 관측할 수 있는 가까운 궤도 안의 외계 행성들에 적당한 온도 조건을 제공하고 있습니다. 적색 왜성들은 태양보다 차갑고 더 긴 파장을 방출하기 때문에, 대부분의 빛을 근적외선 근처에서 방출합니다. 따라서 CARMENES는 적외선에 민감한 독자적이고 특수한 분광기를 개발 하였습니다. 이것이 바로 다른 어떤 프로젝트도 하지 못했던 CARMENES 만의 혁신입니다.
Calar Alto 천문대가 CARMENES 프로젝트에 할당한 관측시간 (최소 600일밤)을 보면 이 프로젝트가 얼마나 중요한지 알 수 있습니다. 이 프로젝트의 집중 관측 시간은 요즘 천문학에서도 흔하지 않게 매우 많은 시간입니다. 적색왜성과 그들의 행성이 궤도안에서 춤을 출 동안, 우리 지구로부터 가까워지거나 멀어지는 별들의 아주 작은 운동마저도 잡아 낼 수 있는 안정적이고 정교한 CARMENES 프로젝트의 기계 들은 우리에게 많은 기대를 하게 해줍니다. 이전의 비슷한 프로젝트 장비에서 얻을 수 있었던 정보들과 비교했을때, CARMENES 프로젝트의 2종류 분광기에서 나오는 데이터의 조합은 우리에게 훨씬 더 많은 정보를 제공해주기 때문입니다. 실로 CARMENES의 장비들은 행성들의 궤도 운동이 야기시키는 별 표면의 작은 점들까지도 구별해 낼 수 있습니다. 우리는 수년 내로, CARMENES가 최소 수십 개의 생명체 거주 가능 외계 행성들을 찾아낼 것이라고 기대해도 좋을 것 같습니다.
외계 행성을 찾는 CARMENES팀의 놀라운 발견들 (1) – 버나드 별
관측이 시작되고 얼마되지 않아서, CARMENES팀은 2018년, 인류가 거주할 수 있는 외계 행성을 찾는 CARMENES팀은 약 6광년 떨어진 별 ‘버나드’를 도는 슈퍼지구의 존재를 확신했습니다. 여러가지 연구와 뒤따른 세부적인 조사 후 이는 과학 분야 최고의 권위를 가진 Nature(I. Ribas et al. A candidate super-Earth planet orbiting near the snow line of Barnard’s star, Nature 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0677-y)에 등재되었습니다. 여러가지 중요한 이유가 있지만, 버나드b로 명명된 이 행성은 지금까지 발견된 수천 개의 외계행성 중 지구에서 두 번째로 가까운 외계행성이기 때문입니다. 먼저 태양계에서 가장 가까운 별은 가장 유명한 별중 하나인 알파 센타우리 입니다. 그 다음으로 가까운 (별은 가깝지만) 상대적으로 어두운 버나드 별 (Barnard’s star)입니다. 버나드 별은 적색왜성이기에 당연히 CARMENES팀의 타겟이 되었고, 예전부터 논쟁이 일던 버나드 별의 외계행성 존재여부에 종지부를 찍었습니다. CARMENES팀은 지구 질량의 적어도 3.2배 정도 되는 행성이 233일 정도 주기로 버나드 별을 공전한다는 사실을 밝혀냈습니다. 버나드 별이 어둡기 때문에 대략 지구와 비슷한 공전 주기에도 불구하고 행성 표면의 온도는 영하 170도 정도로 낮을것이라고 추정됩니다. 하지만, 위 행성은 암석으로 구성 되어 있고 대기가 두껍게 형성돼 있을 가능성이 높기에 생명체가 존재하기에도 우호적이라고 예측되고 있습니다. 버나드 b는 매우 가까운 거리에 있는 슈퍼지구로 앞으로도 가장 중요한 타겟중 하나가 될 것으로 보입니다.
외계 행성을 찾는 CARMENES 팀의 놀라운 발견들 (2) – ‘티가든의 별’
발견된 외계 행성들 중 지구와 가장 비슷한 것은 K2 72 e, GJ 3323 b, TRAPPIST-1 d, TRAPPIST-1 e, GJ 667 C f, 그리고 프록시마 b라는 행성등 이었습니다. 하지만 CARMENES팀이 관측한 ‘티가든의 별’을 돌고 있는 2개의 행성들중 한 행성이 위 모든 기록을 깼습니다. 독일과 스페인 전역에 위치해 있던 CARMENES팀중 독일 괴팅겐 대학교가 이끌던 태양스펙트럼 분석팀은 태양계에서 약 12.5 광년 떨어진 곳에 위치한 ‘티가든의 별’을 도는 2개의 행성을 새로이 발견했습니다 (M. Zechmeister et al. The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs. Two temperate Earth-mass planet candidates around Teegarden’s Star, Astronomy & Astrophysics 2019; DOI: 10.1051/0004-6361/201935460). 2개의 행성중 하나는 지구와 정말 비슷한 온도이며 액체 상태의 물이 존재 할 가능성이 있다고 예측되었고 모든면에서 지구와 가장 비슷한 수치의 값을 가지고 있는것으로 확인 되었습니다.지구와 같은 암석 행성이며, 크기도 지구의1.1배입니다. 두 행성 각각 약4.9일/11.4일 정도의 주기를 두고 티가든의 별을 공전 합니다 (그림3 참조).
그림 3. ‘티가든의 별’을 공전하는 2 행성 상상도 Credit: University of Göttingen
‘티가든의 별’ 은 언급드렸다시피 적색왜성인만큼 나이가 많습니다. 적색왜성의 많은 나이는 생명체가 존재할 만큼 진화를 허락함에 충분함 나이임이 포인트입니다.
ESI라는 개념이 있습니다 (그림 4참조). 외계행성이 온도, 밀도, 부피등 모든면에서 지구와 얼마나 비슷한지에 관한 지표를 나타내는 개념입니다. 이번 발견 행성중 하나가 역대 모든 외계행성을 제치고 0.95 (1에 가까울 수록 지구와 비슷)라는 수치를 얻어서 1등을 차지하는 영광을 얻었습니다. 나머지 행성 한개도 10위권의 순위 (여전히 화성보다 높은 수치) 를 기록했으니 ‘티가든의 별’은 태양계와 상황이 많이 비슷하다고 결론을 내릴 수도 있을것 같습니다.
그림 4. ESI비교도 Credit: PHL(Planetary Habitability Laboratory)
(“이외에도 또 한가지 정말 놀라운 발견이 더 있지만, 해당 저널의 embargo가 걸려있는 관계로 논문의 발행 이후로 글 작성을 미뤄야함에 아쉬운 소식을 전해드립니다 ^^. You stay tuned!”)
JWST 적외선 우주 망원경에 또다른 기대를 겁니다
우주에 우리 은하를 닮은 은하는 2조 개가 넘을 것 이라는 통계학적 예측이 있습니다. 또한 태양 같은 별은 우리 은하에만 수천억 개가 넘게 존재 하고 있습니다. 이는 우리 인류가 우주의 첫 번째 문명이 아닐 수도 있음을 의미합니다. 인류가 거주할 수 있는 외계 행성을 찾게 된다면, 당연히 그곳에 지성이 있는 외계 생명체가 거주하고 있을 확률도 커지게 됩니다. 수년 후, 적외선 우주 망원경인 제임스 웨브 우주 망원경(JWST)이 우주로 발사되면 외계 행성의 대기 분석을 통한 외계생명체 존재 예측도 가능해 질 것입니다.
외계 행성을 찾는 우리의 과학기술은 많은 발전을 이루었지만, 아쉽게도 외계 행성을 지구 수준의 생명 친화적으로 만들 기술은 아직 걸음마 수준입니다. 또한 외계행성까지의 여행은 현재로서는 불가능합니다. 하지만 한 가지 분명한 것이 있습니다. 인류는 이성을 통해 자연의 비밀에 대한 답을 끊임없이 찾으며 진화해 왔다는 점입니다.
인터스텔라의 대사처럼, “우리는 답을 찾을 것입니다. 늘 그랬듯이.”
칼럼 설명
46억 년 전 우리에게 무슨 일이 있었을까? (1)
46억년전 태양계의 출발을 이론적으로 예측하고 설명하며, 실제 관측과 비교합니다.
46억 년 전 우리에게 무슨 일이 있었을까? (2)
이와 비슷하게 앞으로의 미래에 관해서 예측합니다. 태양계의 종말을 예측하며 우리가 왜 외계행성을 찾아야하는지에 중점을 두고 설명합니다.
46억 년 전 우리에게 무슨 일이 있었을까? (3) – 천체 물리학의 최종 목표: 외계행성을 찾아라
필자가 속해있는 CARMENES팀의 연구를 중심으로 외계행성의 연구가 얼마나 진전이 되었는지 알아봅니다.
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이번 시리즈의 글은 필자가 한국과학기술단체총연합회의 월간 잡지 과학과 기술에 기고한 글의 확장본 입니다.
지면 관계상 싣지 못했던 보다 자세한 설명들을 더 담았습니다.
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그림출처:
표지그림 Instituto de Astrofísica de Andalucía – CSIC
김민재
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- 천체 물리학의 최종 목표: 외계행성을 찾아라 - July 28, 2019
