일반인을 위한 천문학/물리학 개론 7번째는 외계행성 입니다.


'이 우주에 우리가 정말 혼자인가?' 에 대한 대답.


외계행성 탐사는 오랫동안 흥미로운 문제였지요.

본 글에서는 천문학적으로 외계행성을 탐색하는 내용을 적어보려합니다.








## 지난 글에 대한 질문들 몇 가지(인벤 댓글 발췌)



1. 거대블랙홀(Super Massive Black Hole : SMBH) 형성에 관하여

지난 글에서 태양질량의 수십만~수백만배인 SMBH의 생성재료(시드)에 대하여 태양질량 정도의 항성블랙홀(Stellar Black Hole :  SBH)이 재료가 된다고 언급하였습니다. 댓글에서 한분이 짚어주셨듯이 이는 SMBH의 여러 가설중의 하나였고, 현재 정설로는 우리가 아는 SBH가 합병되어 SMBH가 되기에는 우주의 나이보다 더 큰 스케일이 필요하기 때문에 불가능하다- 라는 것이 사실입니다.


이를 해결하기 위해 이보다 약간 큰 질량(태양질량의 수천~수만배)의 중간블랙홀(Intermediate Massive Black Hole : IMBH)이 합병되면 좀더 짧은 타임스케일에서도 가능하다는 이론도 있지만 정작 시드가 되는 IMBH의 생성과정을 또 다시 규명해야하는 등 명확하지 않습니다.




덧붙이자면, 본문에서는 내용의 복잡함을 피하기 위해 언급을 생략하였지만, 별들의 구성원소중 금속함량 z(Metallicity. 천문학에서는 수소와 헬륨을 제외한 나머지 모든 원소를 금속원소라고 합니다)에 따라 별의 수명이 크게 영향을 받습니다.

앞의 핵합성 글에서도 짚고 넘어갔듯이 우주 공간전체의 금속원소는 시간이 지날 수록 별의 죽음에서부터 공급되기때문에 점점 증가하는데, 반대로 굉장히 초기의 우주의 별들은 z~0 에 가까울 것입니다.


이러한 별들을 금속이 없다하여 Metal-free Star, 혹은 3세대 별들(Population Ⅲ Star)이라고 합니다.

우리가 현재 볼 수 있는 태양과 같은 젊은 별들은 z~0.01 정도로 1세대 별(Population Ⅰ Star)이라고 부르며 이보다 더 적은 z는(~0.001) 2세대 별(Population Ⅱ Star)입니다. Pop2 별들은 흔히 구상성단과 같이 나이가 많은 집단에서 찾아볼 수 있습니다.

(아마도 추후에 새로운 글에서 이러한 내용을 자세히 다룰 기회가 있을 것 같습니다)


우주 초기의 별인 Pop3 별들은 아직까지 관측적 증거가 없고 항성진화 시뮬레이션상으로만 여러 모델이 존재합니다. 가장 큰 특징은 우리가 아는 별의 물리적 한계선까지 도달가능한 엄청나게 큰 크기와 질량을 가진다는 것이며 이를 통해 수명이 굉장히 짧습니다.따라서 너무 빨리 죽기때문에 관측적 증거를 찾기가 어렵습니다. 극단적인 경우로 가스가 뭉쳐서 별이 생성되자마자 수천~수만년내에 급격한 종말을 맞는 시나리오도 있을 정도로 여러 모델만 존재합니다.


이러한 Pop3 별들이 죽어서 생성된 블랙홀은 질량이 굉장히 클 것이며(어쩌면 IMBH급) 우주 초기이며 짧은 타임스케일이기 때문에 SMBH형성의 훌륭한 시드가 될 것이다 라는 이론도 존재합니다만 SMBH의 시드에 대한것은 아직까지는 밝혀지지 않은 것이 많습니다.







2. 블랙홀의 내부에 대하여

굉장히 흥미로운 것임에 분명하지만 불가능에 가까운 영역이 아닐까 생각됩니다. 

본문에도 언급하였듯이 블랙홀 내부는 탈출속도가 무한대가 되는 공간(블랙홀이 4차원 시공간이 찌부러져 생성된 것임을 되새겨보면 이걸 과연 공간이라고 불러도 될지 모를정도로)이며 우리가 수학적으로만 다루던 '무한대' 의 개념이 적용되는 영역입니다.


따라서 결론부터 말씀드리자면 해당하는 물리이론이 없습니다. 이론을 정립하기위해서는 그 시스템에 대한 정의에서부터 시작하여야 하는데 밀도가 무한대가 되는 곳에 대한 정의를 하기는 참 어렵습니다. 


"중성자성은 밀도가 태양의 4*10^14 배야. 중성자성에서 성냥갑만큼만 떼어오면 무게가 50억톤에 해당하지. 이러한 환경에서는 중성자축퇴압력에 의해서 핵입자들이 지탱되고 있어. 중성자성은 1초당 수회~수십회까지 굉장한 속도로 자전하는데 여기서 발생하는 엄청난 원심력은 보통의 천체를 산산조각 내겠지만 중성자성의 이러한 밀도에서는 거의 영향이 없어."


블랙홀의 경우는..

"블랙홀 내부는 이론적으로 밀도와 중력이 무한대가 되는 지점이야. 따라서 어....."



빛이 빨아들여졌으니 블랙홀 내부는 빛으로 가득차 밝을 것이다? 

하지만 밝다는 것은 관측적인 정보(빛)가 전달되어야 하는데 탈출속도가 무한대인 곳에서 빛이 과연 전달될 수 있을 것인가? 

그렇다면 우리는 그곳에 빛이 가득차 있다는 것에 대한 관측적 정보를 얻을 수 없으므로 빛이 존재한다고 단정지을 수 있는가?

결국 빨아들여진 빛은 소실되는가? 

소실되었는지 그렇지 않고 존재하는지에 대한 정보조차도 얻기가 불가능한가?

블랙홀 내부로 들어가는 과정에서의 생존은 둘째 치더라도 우리가 그곳에서 얻은 관측적 정보를 과연 외부로 다시 전달할 수 있을 것인가?

이 경우 블랙홀 내부에서 물질이 '존재' 한다고 말할 수 있는가?



어쩌면 철학적인 질문으로까지 연결되는, 블랙홀 내부에 대한 이론은 어쩌면 논의하는 것 자체가 기반하는 논리가 없기때문에..

위의 일련의 질문들 처럼 여러가지 생각도 가능하겠지요. 여러분의 상상에 맡깁니다. :D


한가지 덧붙이자면, '빅뱅의 순간' 또한 모든 물질이 한 점으로 뭉쳐진, 밀도가 무한대인 시점이므로 여기에 대한 이론이 없는 것도 맥락을 같이 하겠습니다. 단지 우리가 아는 것은 빅뱅의 순간이나 블랙홀의 내부나 밀도가 무한대가 될 것이다- 라는 것 뿐입니다.











본문입니다!!


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#iamge1. 유명한 드레이크 방정식

존재하는 외계지적생명체의 수 N 에 대한 방정식으로 단순하게 관련된 변수들의 확률을 모두 곱한 식이다. 

당연히 해당하는 변수들의 값에 따라 천차만별이며 처음의 은하당 별 생성률, 행성을 가진 별의 비율 등등은 어느정도 관측에 의한 값을 타당하게 추정할 수 있지만 지성을 가질 생명체로 발달할 확률이나, 그것이 통신기술까지 발달할 확률, 문명의 존속기간 등을 정하는 것은 굉장히 어려운 일이다.






Are we alone?

이라는 질문으로 대표되는 일명 '외계생명체찾기' 는 굉장히 흥미로운 과제 중의 하나이다.

우리가 왜 다른 친구들을 찾아야 하는지는 어쩌면 철학적인 질문으로도 이어지는데, 

지성이 있는 생명체라면 이 드넓은 우주공간을 보고 '여기에 나랑 말이 통하는 다른 친구들이 있지 않을까?' 

하고 상상해보는 것은 어쩌면 자연스러운 의문일 것이다.



위의 그림1 의 드레이크 방정식(Drake Equation)을 보면 알 수 있듯이 외계생명체를 찾는 과정에는 굉장히 많은 변수들이 포함되어 있다.

천문학적으로 적당한 온도의 항성을 찾는 것에서부터 

추후에는 문명의 발달 가능확률, 통신기술을 가지는 경우, 한 문명이 발생하였을 경우 얼마나 지속되는가? 라는

생명공학, 사회과학적인 질문으로까지 확장되는 등 인류의 과학적 지식을 아우르는 과제가 되겠다.




사회과학자라면 하나의 문명이 발생하였을때 이 문명의 지속가능성에 관한 이야기를 풀어놓을 수 있겠지만

글쓴이의 능력상(^^;) 본 글에서는 천문학적인 영역만 다루어 보고자 한다.







#image2. 생명체 존재가능성이 높은 항성계의 대표적인 예인 글리제 581 항성계와 태양계의 비교

속한 행성 중에서 글리제581g 는 골디락스 존에 위치하여 생명체가 존재하기에 적절한 환경이라 예상된다.





※ 잠깐 용어설명을 하자면,

천문학에서 태양과 같은 별(Star)은 '항성(Star)' 이라고 하며 그 항성 주위를 도는 지구와 같은 것은 '행성(Planet)' 이라고 부른다.

따라서 지구의 모(母)항성은 태양이 되며, 우리가 찾는 것은 태양계 말고 또 다른 항성계에서의 외계행성이다.

또한 천문학에서 사용하는 온도단위는 절대온도(K) 이며, 우리가 늘상 쓰는 섭씨온도에 273 을 더해주면 된다.

지구의 평균온도는 상온인 25도 정도로 생각한다면 절대온도단위로 나타내면 약 300K 가 된다.





'생명체라면 꼭 우리 인간과 같은 생물학적 구조를 가질 필요는 없을 텐데?' 하는 의문이 생길 수도 있다.

해저 분수공 주변에는 산소가 필요없는 혐기성 생물이 살기도 하고, 뜨거운 화산근처에서 생존가능한 미생물도 있다.


그러나 현실적으로 우리가 직접 가서 채취하지 않는이상 이러한 미생물과의 커뮤니케이션을 할 방법이 없으므로(!)

외계행성에 직접 갈수 없는 우리는 차선책으로 '자체적으로 통신기술을 보유한 지적 생명체 찾기' 를 선택한 것이며 

우리가 알고 있는 지적생명체는 탄소,산소,질소 등을 기반으로 한 DNA구조(DNA-based)의 생명체이므로

이러한 환경을 찾는 것이 가장 적절할 것이다.


(생명체는 반드시 탄소,산소,질소를 기반으로한 DNA구조를 가져야하는가? 

다른 원소들을 통한 새로운 DNA를 기반으로 할 수도 있지 않는가?

라는 질문은 생명공학적으로 또 다른 흥미로운 문제이다)




DNA를 기초로 하는 생명체 찾기,

이것을 근거로 설정한 것이 바로 그림2 의 골디락스 존(Goldilocks Zone : GZ)이다.

(혹은 서식가능한 구역이라하여 Habitable Zone : HZ 라고도 부른다)





#image3. 골디락스와 곰 세마리





세마리 곰들이 골디락스라는 소녀에게 각각 끓여준 세 가지 스프들(뜨거운, 적당한, 차가운)중에서

적당한 스프를 맛있게 먹고 골디락스는 기뻐했다- 라는,

영국의 '골디락스와 곰 세마리' 라는 훈훈한 동화에서 유래한 단어이다.


이 GZ라는 적당한 단어를 한글로 적당히 풀면 '적당한 구간' 이라고 할 수 있겠는데, 

생명체가 살기 좋은 온도는 모 항성으로부터 너무 멀지도, 가깝지도 않은 거리에 위치하여야 하므로 이러한 구간이 결정된다.

(단순히 Good Zone 으로 불러도 할말없다!)




당연히 모 항성의 온도와 가장 밀접한 관련이 있으며

생명체의 구성인 DNA, 즉 단백질이 존재할 수 있는 온도를 근거로 결정한다.


위의 그림2 에서처럼 지구의 경우 태양의 GZ에 속하며 넓게 잡아 금성과 화성도 GZ에 걸쳐져 있음을 볼 수 있다.

유~명한 글리제581 과 같은 항성은 태양보다 온도가 낮기때문에 GZ도 태양-지구 거리보다 더 가까운 지역에 위치한다.



이러한 GZ는 행성의 전체적인 평균온도를 결정하는 요소라고 할 수 있겠다.



그러나 그림2 에서처럼 금성과 화성도 GZ에 속하지만 생명체가 살기는 어려운 환경이다.

금성의 경우는 너무나 두터운 이산화탄소 대기의 높은 압력, 온실효과로 표면온도가 너무 높고,

화성의 경우는 대기가 얕아서 지구보다 표면온도가 훨씬 낮다.


따라서 행성의 평균온도와 더불어 또한 중요한 것이 그 행성의 대기성분이 될 것이다.

대기중 산소농도가 1%만 감소하여도 저산소증이 발생하는 것을 보아도 

대기성분이 생명체에 얼마나 민감한 영향인지를 알 수 있는데,


사실 그 행성의 대기성분은 행성의 온도와 밀접한 관련이 있다.







#image4. 교과서에서 많~이 보았을 그러한 그림




우리가 눈으로는 볼수 없을 뿐, 기체분자들은 굉장히 빠른속도로 움직이고 있는데 이것이 우리에게 압력이라는 형태로 관찰된다.

즉, 대기압으로 느껴지는 것의 근본원인은 대기를 구성하는 분자들이 지속적으로 움직이면서 부딛치는 효과가 관찰되는 것이다.

이러한 분자들의 속도는 온도가 높을수록, 가벼운 분자일수록 빠르다.


그림4 에서처럼 압력을 일정하게 유지시키면서 온도를 증가시키면


온도증가→분자의 속도가 빨라진다→같은 시간동안 더 많은 수의 분자들이 더 빠르게 부딛친다→

압력이 증가한다→피스톨을 밀어낸다→부피가 늘어나면서 압력이 다시 감소하여 본래 압력 유지


라는 결과로 나타난다.





만약 지구의 중력이 약해진다면 현재 중력에 의해 붙잡혀있는 대기를 구성하는 기체분자들이 지구 밖으로 탈출(!)할 것이며,

지금보다 무거운 분자들만 대기로 남을 것이다.


또한 지구의 온도가 증가한다면 분자들의 속도또한 빨라지므로 역시나 탈출할 가능성이 커질 것이다.

즉, 행성의 대기구성성분을 결정짓는 것은 그 행성의 온도와 중력 두가지가 되겠다.







#image5. 온도에 따른 기체분자의 속도분포





그림5 에서처럼 기체분자의 속도는 모두 동일한 값이 아니라 일정한 분포를 띈다. 

이를 볼츠만 분포(Boltzmann Distribution)라 부르는데, 보는 것처럼 ∩ 모양으로 생겼다.

중요한 점은 가장 많이 분포하는 peak 속도가 아닌, 다른 속도를 가지는 분자도 분명히 존재한다는 것이다.



또한 온도가 높아질수록 그래프는 전체적으로 오른쪽으로, 즉 전체적인 분자들의 속도는 빨라지며 더 넓게 퍼진 분포를 보인다.

(400K 그래프는 어떻게 생겼을지 상상이 되는가? 녹색의 300K그래프보다 peak는 좀더 오른쪽으로, 전체적인 모양은 좀더 낮아지는 모양으로 상상해보라!)



200K에서 피크속도 값은 분명 100K보다 크지만 100K의 분자들 중에서는 이러한 200K의 피크속도보다 빠른 분자들도 존재한다.


이는 달리말하면 온도가 같은 분자들이라도 그 분자의 에너지는 확률적분포를 가지기 때문에

개수는 적지만 평균에너지보다 훨씬 큰 에너지를 가진 분자가 존재한다는 것이다.







#image6. 행성 표면온도와 행성의 탈출속도

점선으로 표시된 선은 해당 기체분자의 평균속도×10 이다. 





다시 탈출속도얘기로 돌아오면,

따라서 행성의 탈출속도보다 느린 peak속도를 가진 분자의 경우라도 

그중에 속도가 빠른 녀석들은 약간이나마 존재하며 이는 지속적으로 행성의 대기를 탈출하게 되는 것이다.

(예를들면 100개의 산소분자중에서 1초당 3개씩, 속도가 빠른 1등부터 3등까지 분자들이 탈출한다고 생각해보라)


상위권 친구들이 탈출하고 나면 남은 기체분자는 다시 상호작용을 통하여 그 빈공간을 메워간다.

즉, 위의 그림5 의 곡선이 기체분자가 탈출할 수록 전체적으로 수가 줄어들면서 

peak와 전체적인 모양은 유지하되(온도는 같기 때문) 높이만 점점 낮아지는 것이다.




결과적으로 오~랜시간이 지날수록 행성의 대기는 분자들이 자꾸 탈출하기 때문에 옅어진다.

우리 태양계의 나이인 50억년을 기준으로 통신가능한 생명체가 진화하는데 걸리는 시간도 이정도로 생각한다면

항성계가 생성된 이후 이정도 시간동안 분자들을 잡아두기 위해서는 여러 데이터를 토대로 판단해보니

기체의 평균속도보다 10배의 탈출속도를 행성이 가져야 한다는 결과가 나오며

이것이 그림6 에서의 점선으로 나타내진 것이다.



결과적으로 행성의 위치보다 해당 점선이 위쪽인 분자들은 현재까지 오면서 거의다 탈출해버렸고,

점선이 아래쪽인 분자들만 남아있다는 것이다.



지구를 예를 들자면 위쪽 점선인 수소(H), 헬륨(He)은 지구 형성이후 현재까지 오면서 대부분 탈출하였고,

그보다 아래 점선 분자들인 물(H2O), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 산소(O2), 질소(N2)등은 대기로 살아남은 것이다.



질량이 크기때문에 행성의 탈출속도 또한 큰 목성형 행성들(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)은 온도도 낮기때문에 

그림6 의 왼쪽 위의 영역에 존재하며 따라서 가장 가벼운 분자인 수소를 포함하여 거의 모든 원소들이 탈출하지 못하고 대기상에 대부분 존재한다.



이러한 행성의 대기는 생명체를 모항성의 자외선, X선 등의 해로운 빛에서부터 보호하는 효과와

적절한 온실효과로 행성 전체적으로 고른 온도분포를 만드는 중요한 역할을 한다.




또 한가지 덧붙이자면, 

행성의 표면온도는 결국 모항성에서 부터 오는 별빛때문에 좌지우지되는데 

만약 행성의 자전속도가 빠르다면 행성 전체적으로 고른 가열이 이루어져서 자전하지 않는 행성보다는 평균온도가 낮을 것이다.

바베큐를 빙글빙글 돌려가면서 서서히 익히는 것을 떠올려보면 될 것이다.


적절한 바베큐를 위해서는 적절한 회전이 필요한 것 처럼,

따라서 만약 적절한 거리, 적절한 중력을 가진 행성일 지라도 자전을 거의 하지 않는다면 

모항성과 마주한 지역의 급격한 온도상승으로 인하여 어쩌면 대기의 대규모 이탈이 발생할 것으로 예상할 수 있다.

즉, 자전속도 또한 중요한 변수라는 것.







#image7. 타지 않으려면 돌려야해!!





지금까지 항성계에 존재하는 행성이 생명체가 존재할 가능성이 높기위해 필요한 요소들을 알아보았다.


생명체가 존재할 행성의 조건을 정리해보자면 다음과 같이 될 것이다.


1. 모 항성으로부터 적절한 거리에 존재할 것.(골디락스 존)

2. 적절한 중력을 가져서 적절한 온도로부터 적절한 대기가 존재할 것.

3. 적절한 자전속도를 가져서 행성전체적으로 고른 평균온도를 가질 것.




적절한으로 시작해서 적절한으로 끝난 것 같은 기분이지만 사실이 그런걸 어찌하리!

지구는 우주에서 인간이 살기에 참으로 적절한 행성이기 때문에..



결국 이론적으로 이렇게 적절한 행성의 조건들을 따졌는데 실제로 우리는 망원경으로 찾아야 한다.

또한 시리우스와 같이 젊은 별들은 생명체가 진화할 충분한 시간이 되지 않는 등

적절한 행성 뿐만 아니라 적절한 항성계를 찾는 것도 일이다.



이에 대한 자세한 내용은 다음글에서 계속!







언제나 그렇듯, 댓글/쪽지를 통한 질문/피드백 환영합니다.


ps. 이번 글의 주된 내용인 행성의 대기구성성분과 자전속도, 표면온도 관련해서 수학적으로 자세히 알고 싶으신 분은 제가 과거에 적었던 글(아래 링크)을 참고하셔도 좋을 것 같습니다.(대학 학부생 수준)


http://sillurian.tistory.com/12