우주 과학의 성배는 뭐니 뭐니 해도 '외계행성(Extra-solar Planet)'에 사는 생명체는 찾는 일이다. 이것은 탐사로봇에게 주어진 첫 번째 임무이기도 하다. 그럼 외계행성으로 탐사로봇이 보내지지 않은 지금은 어떻게 외계행성을 찾아내고 있을까?
0. 목차
- 목성형 외계행성 찾기
- 지구형 외계행성 찾기
- 외계행성의 발견
- 골디락스존 외에도 생명체가 있을지 모른다.
- 떠돌이 행성에도 생명체가 존재할 가능성이 있다.
1. 목성형 외계행성 찾기
지금까지 천문학자들은 지구에 기반을 둔 천체망원경으로 '외계 태양계'에서 수백 개 이상의 행성을 찾아냈으며, 지금도 새로운 행성이 꾸준히 발견되고 있다. 그러나 실망스럽게도 이들은 한결같이 목성형 행성뿐이다. 하지만 '목성형 행성'은 지구보다 덩치가 훨씬 크고 기체로 되어 있어서 생명체가 존재할 가능성이 거의 없다.
그러나 외계행성은 스스로 빛을 발하지 않을뿐더러 거리가 너무 멀어서 반사된 빛조차 거의 보이지 않기 때문에, 일반적인 천체망원경으로는 볼 수 없다. 이들은 근처에 있는 '모항성(행성을 거느리고 있는 별)'보다 훨씬 어둡다. 그래서 외계행성을 찾는 한 가지 방법은 별의 미세한 흔들림을 관측하는 것이다. 외계 태양계는 회전하는 아령과 비슷하다. 즉, 두 개의 공이 서로 상대방의 영향을 받아 공전하고 있다. 아령의 한쪽 끝은 태양과 비슷한 별로써 망원경으로 쉽게 관측되지만, 반대쪽 끝에 있는 목성형 행성은 별보다 10억 배 이상 어두워서 직접 관측하기는 불가능하다. 하지만 목성형 행성이 별 주변을 공전하고 있으므로, 별은 그 영향을 받아 조금씩 흔들린다. 따라서 망원경으로 이 흔들림을 관측하면 그 주변에 행성이 있다는 사실을 간접적으로 알 수 있다. 천문학자들은 이 방법으로 수백 개 이상의 행성을 발견했다. 그러나 지구형 행성은 워낙 작아서 별의 움직임이 없기 때문에, 이런 식으로는 확인이 불가능하다.
2. 지구형 외계행성 찾기
지구에 있는 천체 망원경으로 지금까지 발견한 행성 가운데 가장 작은 것은 지구의 3~4배쯤 된다. 이처럼 외계 행성 중 그 질량이 지구보다 큰 '암석 행성(지구형 행성)'을 '슈퍼지구(Super Earth)'라고 한다. 그런데 놀랍게도 이 '슈퍼지구'는 별과의 거리가 적당하여, 물이 존재할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 물이 있다는 것은 곧 생명체가 존재할 수 있다는 뜻이다.
일단 행성이 발견되면, 그곳에서 방출되는 '지적 신호(방송 전파나 무선신호 등)'가 있는지 확인하기 위해 집중적인 조사가 이루어질 것이다. 일단 지구형 행성이 발견되면, 그다음 순서는 생명체에게 필수적인 물의 존재 여부를 확인하는 것이다. 액체 상태의 물은 범우주적 용매로서, 최초의 DNA도 물에 녹아 있는 화학물질에서 탄생했을 것으로 추정된다. 지구형 행성에서 바다가 발견된다면, 외계 생명체의 존재 가능성은 크게 높아질 것이다. 앞으로 수천 개 이상의 외계행성 목록이 작성될 것인데, 그중에는 크기와 성분이 지구와 비슷한 것도 많을 것이다. 물론 언제까지나 목록만 작성하고 있을 수는 없다 어느 정도 정보가 축적되어 지구와 비슷한 행성의 위치가 확인된다면 탐사선을 직접 파견해 볼 만하다. 과연 그 행성에 물이 있을지, 물이 있다면 생몇체도 있을지, 그리고 생명체가 있다면 그들도 우리처럼 지적 생명체일지 정말 궁금하다.
2-1. 케플러 우주 망원경
슈퍼지구의 발견 등으로 감질나는 이런 상황은 2009년에 '케플러 우주 망원경(Kepler Space Telescope)'을 실은 '코롯 위성(COROT satellite)'이 발사되면서 많이 달라졌다. 프랑스의 '코롯 위성(COROT satellite)'은 외계행성을 위해 제작된 역사상 최초의 위성으로, 2006년 12월에 성공적으로 발사되었다.
외계에 존재하는 '지구형 행성'들은 기체가 아닌 바위로 이루어져 있으며, 크기도 지구의 몇 배 정도에 불과할 것이다. 그런데 이렇게 작은 '지구형 행성'들을 어떻게 찾아낼 수 있을까? 행성이 별 주위를 공전하다가 망원경 방향으로 별 앞을 지나가면, 별빛을 부분적으로 가리기 때문에 광도가 아주 조금 약해진다. '지구와 비슷한 행성(지구형 행성)'을 찾으려면 별의 흔들림이 아닌 밝기 변화를 추적하는 것이 유리하다. 그래서 '코롯 위성'은 수천 개의 별들을 끊임없이 스캔하면서 미세한 광도 변화를 찾아내고 있다. 또한 '코롯 위성'은 새로운 '목성형 위성'도 찾아낼 수 있을 것으로 기대된다. 천문학자 '클라우드 카탈라(Claude Catala)'는 코롯위성이 크기에 상관없이 관측 가능한 모든 외계행성을 찾아낼 것이라고 자신 있게 말했다.
'케플러 우주 망원경'은 감도가 훨씬 높은 '지구형 행성 탐사기(TPF: Terrestrial Planet Finder)'로 대치될 예정이었다. TPF는 궤도에 오르기만 하면 '케플러 우주 망원경'의 임무를 훨씬 효율정으로 수행할 것으로 기대되었다. 하지만 TPF 계획은 무기한 연기되다가, 2007년 4월부로 자금 지원이 무산되어 TPF는 완전히 취소되었다.
3. 외계행성의 발견
3-1. 외계행성의 최초 발견
외계행성'을 최초로 발견한 사람은 펜실베이니아 주립대학의 '알렉산드르 볼스찬(Alexandr Wolszczan, 1946~)'이었다. 그는 1994년에 '맥동성(Pulsar)' 주변을 공전하고 있는 행성을 '모항성의 흔들림'을 찾는 방법으로 발견했다. 그런데 이 행성의 모항성은 초신성 폭발을 겪은 것으로 추정되었기 때문에, 행성 자체도 완전히 초토화된 '죽음의 행성'일 가능성이 높았다. 그 다음 해인 1995년에 스위스의 천문학자 '미셸 마이어(Michel Mayer)'와 '디디어 퀠로즈(Didier Queloz)'는 '페가수스-51 항성)' 근천에서 목성과 비슷한 크기의 행성을 발견했음을 발표했고, 그 후로 못물이 터지듯 새로운 외계행성이 줄줄이 발견되었다.
콜로라도대학의 지질학자 '브루스 자코스키(Bruce Jakosky, 1955~)'는 다음과 같이 말했다. "지금 우리는 인류의 역사에서 매우 특별한 시기에 살고 있다. 우리는 다른 행성에서 생명체를 발견한 최초의 세대가 될 것이다."
3-1. 지금까지 발견한 '외계 태양계'들은 '우리의 태양계'와 구조가 사뭇 다르다.
지금까지 발견된 외계 태양계들은 그 구조가 우리의 태양계와 사뭇 다르다. 과거에 천문학자들은 우리의 태양계가 우주에 존재하는 다른 태양계들의 전형적인 형태일 것이라고 예상했었다. 즉, '모항성을 중심으로 지구 같은 '바위형 행성'들이 가까운 원궤도를 따라 공전하고, 목성 같은 '가스형 행성'들이 중간 위치에 공전하며, 가장 먼 곳에서 얼음덩어리로 이루어진 혜성들이 공전하는 태양계 모형을 표준으로 삼았었다.
그런데 놀랍게도 지금까지 발견된 외계행성들 중에서는 이렇게 간단한 법칙을 따르는 것이 단 하나도 없다. 특히 목성만 한 크기의 외계행성들은 모항성에서 매우 가까운 궤도를 돌고 있거나, 크게 일그러진 타원궤도를 그리고 있다. 둘 중 어떤 경우에도 '지구형 행성(지구와 비슷한 행성)'이 골디락스 존에 존재할 가능성은 거의 없다. 목성만 한 외계행성이 모항성에 가까운 궤도를 돌고 있다는 것은, 이 행성이 처음에는 먼 궤도를 돌다가 나선을 그리며 모항성 쪽으로 서서히 접근하고 있다는 뜻이다. 그리고 그 이유는 아마도 먼지에 의한 마찰력 때문일 것이다. 그러면 '목성형 행성의 궤도'가 언젠가는 '지구형 행성의 궤도'와 교차할 것이고, 결국 '지구형 행성'은 '목성형 행성'에 의해 태양계 밖으로 날아가 버릴 것이다.
이것은 지구와 비슷한 외계행성을 찾고 있는 천문학자들에게 다소 실망스러운 소식이지만, 여기에는 그럴만한 이유가 있다. 현재 사용 중인 관측 장비들의 성능은 그다지 뛰어나지 않기 때문에, 모항성의 움직임에 영향을 줄 정도로 덩치가 크고 빠른 행성이 아니면 관측할 수 없다. 따라서 천체망원경에 괴물 같은 행성만 잡히는 것은 당연한 일이다. 만약 우리의 태양계와 똑같이 생긴 쌍둥이 태양계가 외계에 존재한다고 해도, 지금의 망원경으로는 찾아내지 못할 것이다.
4. 골디락스 존 외에도 생명체가 있을지 모른다.
4-1. 유로파
태양계 안에서도 천문학자의 관심을 끄는 천체가 있다. 그중 1순위는 '유로파(Europa)'이다. '유로파(Europa)'는 목성의 위성 가운데 하나로, 1610년에 '갈릴레오 갈릴레이'에 의해 처음 발견된 후 곧바로 천문학자들의 관심을 끌기 시작했다.
지난 수십 년 동안 천문학자들은 태양계의 생명체가 '골디락스 존(Goldilocks Zone)'에만 존재할 수 있다고 믿어왔다. '골디락스 존'이란 너무 뜨겁지도 차갑지도 않고 모든 환경이 생명체의 생존에 알맞게 조성되어 있는 지역을 말한다. 태양계 전체를 통틀어 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 유일한 지역은 지구와 화성뿐이다. 수성은 태양과 너무 가까워서 모든 물이 증발해버렸고, 목성은 태양과 너무 멀어서 물이 있다고 해도 꽁꽁 얼어붙을 것이다. 그런데 DNA와 단백질이 형성되려면 액체 상태의 물이 존재해야 하므로, 태양계에 생명체는 지구 또는 화성에만 존재할 수 있다는 것이 오래된 통념이었다.
그런데 최근 들어 이러한 믿음은 틀린 것으로 판명되었다. 우주탐사선 '보이저호'가 목성의 위성 근처를 지나가다가 얼음으로 덮여 있는 '유로파'의 지하에 생명체가 살 수 있다는 사실을 발견한 것이다. 유로파의 표면은 온통 얼음으로 덮여 있지만, 그 아래에는 지구의 바다보다 수심이 훨씬 깊은 바다가 존재한다. 그래서 유로파는 지구의 달보다 덩치가 작음에도 불구하고 지구 바닷물 전체 수량의 두 배에 달하는 물을 보유하고 있다.
이로써 천문학자들은 태양계에 태양 이외의 다른 에너지원이 존재한다는 사실을 인정하지 않을 수 없게 되었다. 유로파의 표면 얼음 밑에는 '조력(Tidal Force)'에 의한 열이 끊임없이 발생하고 있다. 유로파는 목성 주변을 공전하다가 가끔씩 작게 흔들리는 경우가 있는데, 그럴 때마다 목성의 강한 중력이 유로파를 여러 방향으로 압착시켜서 중심부에 강한 마찰력을 만들어낸다. 이 마찰력에서 발생한 열 때문에 표면의 얼음이 녹으면서 바다가 형성된 것이다.
4-2. 목성형 외계행성을 돌고 있는 위성에 생명체가 있을지도 모른다.
그렇다면 목성형 외계행성보다 그 주변을 돌고 있는 작은 위성들을 집중적으로 관측하는 편이 더 나을 수도 있다. 참고로 2009년에 개봉된 영화 '아바타(Avatar)'의 배경도 목성형 외계행성이 아니라 그 주변을 도는 위성이었다. 그동안 우리는 외계 생명체가 매우 드물다고 생각했지만, 사실은 가스 행성의 위성에서 칠흑 같은 어둠 속에서 번성하고 있을지도 모른다. 이렇게 생각하면 생명체가 존재할 수 있는 후보 지역이 훨씬 많아진다.
5. 떠돌이 행성에도 생명체가 존재할 가능성이 있다
뿐만 아니라 다수의 행성들은 별을 공전하지 않고 우주 공간을 떠도는 '떠돌이 행성(Rogue Planet)'이 있다는 것이 천문학계의 중론이다. '떠돌이 행성'의 주변을 도는 위성은 조력에 의해 얼음층 아래에 물이 존재할 수 있으므로 그곳에 생명체가 살 가능성이 있다. 그러나 이런 위성은 지상의 망원경으로 관측되지는 않는다. 행성이나 위성이 우리의 눈에 보이려면 근처에 있는 별빛을 반사해야 하기 때문이다. 은하에는 수백만 개의 떠돌이 행성이 존재하는 것으로 추정된다. 따라서 생명체가 살 수 있는 천체도 과거에 예상했던 것보다 훨씬 많을지도 모른다.