외계 행성, 지구 외의 생명체가 있는 곳

1. 외계 행성에 대해 아시나요?

 

 

우리가 가까운 별인 태양 주위는 지구를 포함하여 거리 행성이 돌고 있습니다. 그렇다면 밤하늘을 올려다볼 때 보이는 수은 별에는 행성이 있을까요? 태양이 아닌 별 주위를 돌고 있는 행성을 우리는 외계행성 Exoplane 또는 Extrasolar Planet이라고 합니다. 물론 별에 묶여 있지 않고 혼자 떠돌아다니는 행성도 있습니다. 별과 행성의 차이는 별은 핵융합 반응으로 스스로 빛을 내지만 행성은 그렇지 못하다는 데 있습니다. 바로 그 질량 한계가 목성 질량의 13배에 해당합니다. 질량이 목성 질량의 13배보다 더 크면 부분적으로나마 중수소에 의한 열핵융합이 발생하기 때문에 그것을 행성이라 부르지 않고 갈색왜성이라고 부릅니다.

즉 외계행성이란 태양이 아닌 다른 별을 공전하는 목성 질량의 13배보다 작은 천체를 말하는 것입니다. 참고로 목성 질량은 우리 지구 질량의 약 300배, 태양질량의 1000분의 1에 해당합니다.

 

 

 

2. 지구 외의 생명체

인류는 오랫동안 과연 우주에 우리 혼자인지, 아니면 다른 생명체가 존재하는 또 다른 행성이 있는지에 대한 물음에 답하기 위해 노력해 왔습니다. 그러던 중 1995년에 천문학자 미셸 메이어 Michel Mayor와 디디에르 켈로즈 Didier Queloz가 최초로 외계행성을 발견합니다. 그렇게 발견된 외계행성은 '51 Pegasi b'라는 이름이 붙었습니다. 외계행성에 이름을 붙이는 방법은 별의 이름에 발견된 순서대로 알파벳 b부터 붙입니다. 그러니 51 Pegasi는 별의 이름이고, b는 이 별에서 발견된 첫 번째 외계행성이라는 뜻이 됩니다. 마요르카와 구엘 오는 이 공로를 인정받아 2019년에 우주론에 큰 공헌을 한 제임스 피블스 James Peebles와 함께 노벨 물리학상을 받았습니다.

 

3. 외계행성을 찾아내는 방법

외계행성을 찾아내는 방법으로 '시선속도 측정법'이 있습니다. 별을 관측하면 그 별의 시선 방향에 대한 속도가 플러스가 되거나 마이너스가 되는 주기적인 변화를 볼 수 있습니다. 바로 이런 주기적인 변화는 주위에 다른 질량체가 있다는 뜻이고, 그 질량을 측정한 결과가 행성에 해당하는지 확인하는 것으로 외계행성을 발견하는 것입니다.

 공간에 두 천체가 있을 때 두 천체는 질량의 중심을 축으로 각각 회전합니다. 이 두 천체를 공전 면에 나란히 놓고 바라보면, 별이 우리한테 떨어질 때는 적색이동, 즉 스펙트럼 파장이 길어지는 현상이 관측되고, 다가올 때는 청색이동, 즉 스펙트럼 파장이 짧아지는 현상이 관측됩니다. 물론 행성은 너무 어두워서 한 축으로 할 수 없지만, 별의 이러한 흔들림을 통해서 주위에 있는 외계 행성의 질량 등을 알아낼 수 있습니다.
시선속도의 변화량은 질량이 클수록, 그리고 외계행성이 중심에 가깝게 있을수록 커집니다. 예를 들어 목성 질량이 지금 목성의 위치에서 공전 운동을 한다면 태양은 초속 13m의 속도로 흔들리는 현상을 보여줍니다. 만약 목성이 지구 위치에 있다면 그 크기는 약 초속 30m로 커지게 됩니다. 태양과 지구의 거리인 AU의 10분의 1에 해당하는 거리에 위치하면 약 초속 90m에 해당하는 현상을 보여주게 됩니다.
시선속도 측정법은 시선속도 변화의 크기와 주기적인 변화의 모양 그리고 그 주기로부터 행성의 공전 주기, 원형궤도인지 타원궤도인지를 나타내는 궤도임을 등을 알 수 있고, 질량도 결정할 수 있습니다.

 

4. 행성 구분법

1989년도에 발견된 천체는 질량이 너무 커서 행성으로 구분하지 않습니다. 그리고 1995년 전에 발견된 3개의 행성은 태양과 같은 별이 아닌 죽은 별, 즉 강한 자기장을 띠는 중성자별에서 발견된 행성입니다. 1995년 51 Pegasi b가 발견된 이후, 시간이 흐르면서 관측 경험이 쌓이고 기술이 발전하면서 점점 질량이 작은 행성을 발견한 것을 볼 수 있습니다. 노란색 원의 크기는 궤도이심율을 나타냅니다. 원이 클수록 더 찌그러진 타원 궤도에 해당합니다. 최초의 외계행성 51 Pegasi b의 데이터를 보면, 주기가 약 4.23일, 시선속도의 변화 크기는 초속 60m 정도로 측정됩니다. 이러한 관측 결과로부터 51 Pegasi 주위에 있는 51 Pegasi b가 별에서부터 굉장히 가까운 거리에 위치하며, 뜨거운 목성형 행성인 것을 알  수 있습니다. 태양계에서 목성은 지구-태양 거리의 5배에 자리 잡고 있는데, 그 거리의 100분의 1에 해당하는 굉장히 가깝게 있는 목성형 행성입니다.
행성 발견의 또 다른 예는 '입실론 안드로메다 b'로 1999년 발견된 뜨거운 목성형 행성입니다. 그런데 이 행성에 의해 나타나는 모 성의 주기적인 시선속도 변화를 제거한 뒤에도 어떠한 주기성을 갖는 시선속도의 변화가 사라지지 않았습니다. 이런 주기적인 변화를 설명하기 위해서는 추가적인 행성이 필요했고, 지금은 이 별이 4개의 행성으로 이루어진 행성계를 가진 것으로 알려져 있습니다.

외계행성 탐사에서 특히 관심의 대상이 되는 것은 '생존 구간 Habitable Zone'에 있는 외계행성입니다. 여기서 생존 구간이란 바로 행성의 표면에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도 지역을 말합니다. 생존 구간보다 행성이 별에 더 가깝게 있으면 온도가 너무 높아 물이 존재할 수 없습니다. 또 이 구간보다 행성이 더 멀리 있으면 온도가 너무 낮아서 물이 액체 상태로 존재할 수 없고 다 얼어버리고 맙니다. 이러한 생존 구간을 '골디락스 구간’이라고도 합니다. 《골디락스와 곰 세 마리》라는 동화 속 주인공 소녀인 골디락스가 숲속을 헤매다 곰 세 마리가 사는 오두막을 발견하고는 아무도 없는 빈집에 들어가 식탁 위에 있는 뜨거운 죽과 차가운 죽, 온도가 적정한 죽 가운데 온도가 적정한 죽을 먹어버렸다는 동화 속 이야기에서 유래되었습니다. 그래서 적정한 온도의 구간을 골디락스 그 구간이라고 부릅니다. 태양계에서 이러한 생존 구간은 금성과 화성 사이, 즉 지구 거리에 해당하는 영역입니다. 태양보다 더 어두운 벌이라면 생존 구간이 좀 더 안쪽에 위치하게 됩니다.