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[사이언스] 적색왜성 주변에도 생명체가 존재할 수 있다!

그동안 큰 기대를 받지 않았던 적색왜성 주변 외계행성에 새로운 생명체 존재 가능성

2023.02.06(Mon) 10:30:25

[비즈한국] 지금까지 인류가 발견한 거의 모든 외계행성은 태양보다 훨씬 작고 미지근한 적색왜성 주변을 돈다. 그 중에는 중심 별에서 너무 멀지도 가깝지도 않은 적당한 거리를 두고 있는 일명 ‘해비터블(habitable)’ 행성도 섞여 있다. 그런데 이 ‘해비터블’ 행성이라는 표현을 고민해볼 필요가 있다. 이 표현은 단순히 별과 행성 사이 거리만 보고 붙인 이름이다. 하지만 실제 생명체의 거주 여부는 훨씬 복잡한 문제다. 별과 행성 간 거리 외에도 행성에 자기장이 있는지, 별이 얼마나 난폭하게 요동치는지 등 다양한 요인을 모두 고민해야 한다.

 

많은 천문학자들은 지금까지 적색왜성 주변에서 발견된 대부분의 해비터블 행성은 이름만 해비터블일 뿐 실상은 전혀 그렇지 않을 거라는 암울한 예상을 해왔다. 하지만 희망의 끈을 놓치기는 이르다. 적색왜성 주변에서도 지구와 전혀 다른 방식으로 해비터블한 조건이 유지될 가능성이 있다. 

 

그간 생명체를 기대하기 어려울 것이라 예측된 적색왜성 주변에서도 생명체가 존재할 가능성이 새롭게 거론되고 있다.

 

태양보다 미지근한 적색왜성 주변 외계행성을 고민하는 것이 왜 중요한 문제일까? 우주에 가장 흔하고 가장 발견하기 쉬운 외계행성이 바로 적색왜성 주변 행성들이기 때문이다. 

 

적색왜성은 태양 같은 주계열성에 비해 훨씬 흔하다. 우리 은하 속 약 3000억 개에 달하는 별들 중에서 적색왜성은 무려 50~80%를 차지한다. 다른 은하들도 마찬가지다. 사실상 우주는 적색왜성의 세상이다. 다만 적색왜성은 너무 미지근하고 어둡다. 그래서 눈에 띄지 않는다. 얼핏 보면 우리 은하는 훨씬 밝은 거성과 초거성, 주계열성의 세상 같지만 사실 이들은 소수에 불과하다. 밝게 빛나는 덩치 큰 별들 사이 어둠 속은 수많은 적색왜성으로 바글바글 채워져 있다. 당연히 대부분의 외계행성들은 가장 흔한 적색왜성 곁에 존재할 것이다. 절대 다수를 차지하는 적색왜성 주변 외계행성을 버릴 수 없는 이유다. 

 

적색왜성 주변을 맴도는 외계행성 Kepler-438을 표현한 상상도. 이미지=Mark A. Garlick/University of Warwick

 

또 다른 중요한 이유가 있다. 적색왜성 주변 외계행성은 비교적 발견이 더 쉽다. 현재 가장 많이 쓰이는 외계행성 탐색 방법은 행성이 별 앞을 가리고 지나갈 때 별빛이 어두워지는 것을 포착하는 방법이다. 별이 지나치게 밝고 거대하다면 작은 행성이 앞을 가리고 지나갔을 때 별빛이 어두워지는 정도는 티가 나지 않는다. 별 자체 밝기에 비해 0.1%도 안 되는 작은 밝기 감소만 잠깐 벌어지면 당연히 놓치기 쉽다. 하지만 적색왜성은 훨씬 어두운 별이다. 똑같은 작은 행성이 앞을 가리고 지나가도 애초에 별 자체가 작기 때문에 별빛이 어두워지는 정도가 훨씬 두드러진다. 

 

게다가 별 주변에서 너무 멀지도 가깝지도 않은 해비터블 존에 들어오는 외계행성을 찾을 때는 미지근한 별 주변이 더 유리하다. 중심 별이 작고 미지근하면 그만큼 별에 바짝 붙은 작은 궤도를 돌아야 충분한 별빛을 받을 수 있다. 행성의 궤도가 작으면 공전 주기도 훨씬 짧아진다. 단 며칠 만에 금방금방 궤도를 돌면서 계속 별 앞을 가리는 트랜짓을 빠르게 확인할 수 있다. 

 

이런 점 때문에 현재까지 발견된 외계행성, 특히 액체 물 바다가 존재하기에 적당한 온도를 갖고 있는 해비터블 외계행성 대부분은 전부 적색왜성 곁에서 발견되었다. 태양계 바깥을 벗어나 가장 처음 만날 수 있는 바로 옆집 별도 적색왜성이다. (물론 옆집이라고 해도 4광년 거리다.) 그리고 이곳에서도 별에서 적당한 거리를 두고 돌고 있는 해비터블 외계행성 프록시마 센타우리b가 발견되었다. 이 외계행성도 11일밖에 안 되는 짧은 공전주기로 별 곁을 돌고 있다. 

 

프록시마 센타우리b 외계행성을 표현한 상상도. 이미지=ESO/M. Kornmesser

 

하지만 최근까지 많은 천문학자들은 적색왜성 주변 해비터블 외계행성이 실은 해비터블하지 못할 거란 슬픈 추측을 해왔다. 가장 큰 문제는 행성이 별 코앞에 바짝 붙어 있어 별에서 분출되는 항성풍과 플레어에 그대로 노출된다는 것이다. 실제로 프록시마 센타우리도 꽤 난폭한 별이다. 매년 4~5번 정도 강력한 플레어를 분출한다. 

 

2016년 3월에는 아주 강력한 플레어가 포착됐다. 프록시마 센타우리는 평소에는 아주 어둡다. 지구의 하늘에서 겉보기 등급이 11등급밖에 안 된다. 사람 눈으로 볼 수 있는 한계 등급보다 100배 더 어둡다. 그래서 평소에는 맨눈으로는 볼 수 없다. 그런데 당시 갑자기 강력한 플레어가 분출되면서 몇 분간 겉보기 등급이 6.8등급 정도까지 치솟았다. 몽골 사막처럼 아주 깜깜한 하늘이라면 맨눈으로도 보일 만큼 엄청난 폭발이었다. (당시 플레어를 맨눈으로 목격한 사람이 있는지는 아직 알려진 바 없다.) 이런 강력한 플레어는 코앞의 행성에 심각한 자외선, 엑스선을 쏟아낸다. 설령 행성에 대기권과 생태계가 있었다 하더라도 그대로 자외선 소독을 당하면서 싸그리 사라졌을 것이다. 

 

게다가 별의 강한 중력에 사로잡혀 행성은 계속 같은 면이 별을 향한 채 궤도를 돌게 된다. 계속 같은 면이 지구를 향한 채 돌고 있는 달과 같다. 이러한 상태를 조석 고정이라고 부른다. 이렇게 되면 계속 별을 바라보는 절반은 영원한 낮이 되고, 별을 등진 절반은 영원한 밤이 된다. 별빛이 행성 전역에 골고루 퍼지지 못한다. 절반은 너무 뜨겁고 절반은 너무 차가운 극단적인 지옥이 되어버린다. 이러한 이유로 천문학자들은 적색왜성 주변 외계행성들이 절대 다수를 차지하지만 슬프게도 그들을 모두 포기해야 한다고 생각했다. 그런데 최근 새로운 반전의 가능성이 거론되고 있다. 

 

프록시마 센타우리b 외계행성에서 바라본 풍경을 표현한 상상도. 이미지=ESO/M. Kornmesser

 

천문학자들은 프록시마 센타우리b의 대기 모델을 시뮬레이션했다. 그리고 중심 별에서 쏟아지는 항성풍과 자외선 빛에 노출되었을 때 어떤 일이 벌어지는지를 재현했다. 만약 행성의 대기에 이산화탄소와 질소가 충분히 많다면 재밌는 일이 벌어진다. 별에서 쏟아지는 자외선 빛을 받은 대기 속 분자들은 쪼개지고 다시 합쳐지면서 산소 원자 세 개가 결합한 오존을 만들어낸다. 이렇게 쌓인 오존은 프록시마 센타우리b를 감싸는 오존층을 이룬다. 지구에서도 오존층은 태양의 자외선을 어느 정도 차단하는 지구 선크림 역할을 한다. 마찬가지로 프록시마 센타우리b의 대기권에도 해로운 항성풍으로부터 행성 표면을 지키는 보호막이 생길 수 있다! 

 

별에서 분출되는 항성풍과 고에너지 입자는 행성의 대기 분자를 자극하면서 대기 중 번개를 자주 일으키는 역할도 할 수 있다. 번개도 대기 분자가 쪼개지고 다시 합쳐지는 화학 반응의 중요한 계기가 된다. 또 다른 비슷한 연구에 따르면 질소와 산소, 물 등으로 채워진 프록시마 센타우리b 행성의 하늘에서 번개가 내리치면 많은 양의 오존이 만들어진다. 그리고 고도 20~50km에서 행성 전체를 감싸는 두꺼운 오존층 보호막이 형성된다. 이렇게 형성된 오존층은 행성 표면에 도달하는 자외선 빛을 15%나 줄여준다. 영원히 별을 바라보는 행성의 낮 부분도 오존층이 있다면 훨씬 안전해진다. 별을 바라보는 행성의 절반 영역의 45%가 생명이 살기 적합한 온도를 유지한다. 시뮬레이션에 따르면 정말 이례적인 대규모 플레어가 아닌 한 이렇게 형성된 오존층만으로도 프록시마 센타우리b의 미생물들이 생존할 수 있다! 

 

외계행성에 쏟아지는 강한 자외선은 오히려 번개와 오존층을 형성하게 하는 새로운 계기가 될 수 있다. 이미지=Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian


행성을 감싸고 있는 대기권뿐 아니라 행성 내부에서도 놀라운 일이 가능하다. 프록시마 센타우리b는 중심 별에 지나치게 가깝다보니 물컹한 바다뿐 아니라 딱딱한 암석 몸체 자체에서도 일종의 밀물과 썰물이 벌어질 수 있다. 행성은 점이 아니다. 부피를 가진 덩어리다. 그런데 중력은 거리가 멀어지면 약해진다. 행성의 별을 바라보는 쪽은 별을 등진 쪽에 비해 행성 자체의 지름만큼 별에 더 가깝다. 그만큼 별에서 더 강한 중력을 느낀다. 행성의 각 위치에서 느끼는 별의 중력이 달라지면서 행성은 마치 양쪽으로 길게 잡아당기는 듯한 스트레스를 받게 된다. 이를 차등 중력이라고 부른다. 

 

그런데 만약 별 곁을 도는 행성의 궤도가 완벽한 원이 아닌 살짝 찌그러진 타원이라면 더 극적인 일이 벌어진다. 특히 프록시마 센타우리b는 11일밖에 안 되는 짧은 주기로 빠르게 궤도를 돈다. 타원 궤도상에서 행성이 별에 더 가까이 다가가면 차등 중력으로 인한 스트레스가 강해진다. 다시 별에서 멀어지면 스트레스가 약해지고 잠시 숨을 고를 수 있다. 타원 궤도를 돌면서 양쪽으로 잡아당기는 듯한 스트레스가 강해졌다가 약해졌다가를 반복한다. 이로 인해 행성 내부의 암석은 뜨거워진다. 마치 귤을 오랫동안 조몰락거리면 귤 과육이 말캉말캉해지는 것과 같은 느낌이다. 행성 내부가 뜨겁게 녹아버리면 화산을 비롯해 행성의 지질 활동이 활발해진다. 실제로 목성에 바짝 붙어 있는 위성 이오에서 이런 일이 벌어진다. 목성에서 받는 극단적인 차등 중력으로 인해 이오는 표면 전체가 화산 여드름으로 덮여 있다. 

 

중심 별의 강한 중력으로 조석 고정된 외계행성에서는 활발한 지질활동이 가능하다. 이미지=Universität Bern/University of Bern, Thibaut Roger


행성이 지질학적으로 살아 있는 세계가 된다는 건 아주 중요하다. 행성 내부에 뜨겁게 녹아 있는 핵이 회전하면서 행성 전체를 감싸는 자기장 보호막을 두를 수 있기 때문이다. 최근 한 연구에서 천문학자들은 적색왜성 주변 조석 고정된 외계행성 760여 개를 분석했다. 그중 10%가 내부의 활발한 지질활동 덕분에 별의 항성풍으로부터 행성 표면을 보호할 수 있는 것으로 파악된다. 여기에는 프록시마 센타우리b도 포함된다. 이번 결과에 따르면 적색왜성 주변이더라도 지구 지름의 1~1.2배 정도 되는 암석형 외계행성이 적당히 찌그러진 타원 궤도(이심률>0.1)만 돌고 있다면 생명체가 버티고 살 만큼 충분히 안정된 세계를 유지할 수 있다. 

 

적색왜성 주변 행성의 생명 거주 가능성을 따져보는 건 아주 중요한 문제다. 지금까지 발견된 대부분의 외계행성들이 그대로 쓰레기통으로 가게 될지, 아니면 가지각색의 외계생명체들이 가득 숨어 있는 보물 상자일지 전혀 다른 결론을 가리키기 때문이다. 난폭하게 요동치는 적색왜성 코앞에서 행성은 오히려 그 별의 강렬한 자외선과 차등 중력을 활용해 두꺼운 오존층과 활발한 지질활동, 그리고 자기장 보호막을 두를 수 있다. 극악의 조건에서도 어떻게든 해답을 찾으려 몸부림치는 행성의 ‘의지’가 느껴지는 듯하다. 

 

언젠가는 반드시 지구 바깥 외계생명체를 찾고야 말겠다는 천문학자들의 의지, 그리고 혹독한 조건에서도 나름의 해비터블한 세계를 구축하고 말겠다는 외계행성들의 의지. 둘 모두 포기하지 않고 오랫동안 버텨준다면 둘의 의지가 함께 만나 비로소 꽃을 피우는 순간이 올 것이다. 우주에서도 중요한 건 ‘꺾이지 않는 마음’일 테니. 

 

참고

https://aasnova.org/2018/05/08/a-naked-eye-superflare-detected-from-proxima-centauri/https://academic.oup.com/mnras/article/517/2/2383/6717659

 

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com


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