EBS 위대한 수업 4 디디에 쿠엘로 (외계 행성 탐사 프로젝트) 1~4강

 

EBS 위대한 수업 4 디디에 쿠엘로 (외계 행성 탐사 프로젝트) 1~4강

위대한 백스물 열한 번째 강연 '외계 행성 탐사 프로젝트' (시즌 4 열한 번째)

 

 

디디에 쿠엘로(Didier Queloz)

2019 노벨 물리학상

영국 케임브리지대

스위스 취리히 연방 공과대 물리학과 교수

 

 

 

 

(2024. 12. 11. 방송)

 

1강  1995년 첫 외계 행성 발견

 

1995년까지 인류가 아는 행성은 태양계의 행성들뿐이었다

그리고 지난 30년간 대격변이 일어났다

태양계의 행성들만 알던 인류가 우리 은하에서

수많은 행성을 찾은 것이다

어떻게 그럴 수 있었을까?

첫 외계 행성은 왜 그리 늦게 발견됐을까?

 

☆ 항성: 핵융합을 통해 스스로 빛을 내는 별

☆ 행성: 항성을 공전하며 항성의 빛을 반시해 빛을 내는 천체

 

망원경으로 항성을 본다고 해 보자

무엇이 보일까?

항성만 보일 것이다

항성이 너무 밝아서 온통 항성의 빛만 찍히니

다른 건 보이지 않을 것이다

외계 행성 탐사의 문제는 행성이 너무 작고

밝기가 약하다는 것이다

행성과 항성의 밝기 차이는 백만 배 이상이다

망원경으로 행성을 찾는 건 불가능하다는 말이다

그래서 1995년 전까진 큰 망원경을 동원해도

외계 행성을 찾을 수 없었다

 

1990년대 초반 혁신적인 정밀 속도 측정법 개발

원리는 이렇다행성이 항성 주위를 공전하면 행성의 무게,

즉 질량 때문에 항성의 위치가 미세하게 바뀐다

행성계 전체는 '질량 중심'으로 돌게 된다

※ 질량 중심: 중력으로 두 물체가 공전할 때 질량에 따라 정해지는 중심점

행성이 궤도를 따라 크게 공전하는 동안 미세하게

움직이는 항성을 관측하는 것이다

항성의 미세한 위치 변화를 관측하면 항성 주변에

행성이 있다는 걸 알 수 있다

 

항성의 위치 변화는 관측이 어렵지만 방법이 있다

항성의 시선 속도 변화를 피악 하는 것이다

※ 시선 속도: 항성이 관측자를 향해 가까워지거나 멀어지는 정도

항성의 시선 속도를 파악하는 기술은 오래전에 발견됐다

100년쯤 전에 발견된 기술인데 '도플러 효과'를 이용한다

※ 도플러 효과(Doppler effect)

: 시선 속도에 따라 소리의 파장이 바뀌는 현상

(소리가 관측자에게 가까워지면 파장은 짧아지고 멀어지면 파장은 길어진다)

 

이 현상을 빛에 적용해 변화를 관측할 수 있다

도플러 효과로 항성의 시선 속도 변화를 관측하는

도플러 분광법(Doppler Spectroscopy, 시선 속도 방법)

 

 

색(파장) 변화를 파악하면 항성이 움직이는지를 알 수 있다

아이디어 자체는 단순하지만 실제 적용은 어려운 기술이다

항성은 밝을 뿐 아니라 엄청나게 무겁다

몸무게가 100kg인 사람과 100g인 사람이 있다고 치자

100g의 힘으로 100kg을 흔들기는 어렵지 않겠는가?

항성의 시선 속도 변화는 대단히 미세하다

이를 감지하려면 새로운 기술이 필요했다

 

90년대에 미셀 마요르(천체 물리학자, 2019 노벨물리학상)와

새로운 관측 기계를 개발했다

항성의 시선 속도를 정밀하게 측정하는 관측 기계였다

보통은 '스펙트럼'이라는 무지개 같은 걸 만든다

이 스펙트럼은 특수한 형태이다

항성에서 나온 빛을 쭉 펼쳐 놓은 것이다

그리고 항성의 빛을 낱낱이 분석한다

항성에는 다양한 성분이 있는데 인체를 구성하는

성분도 다 있다

원자 하나하나가 항성의 빛 일부를 흡수해

어두운 부분을 만드는데 그게 '스펙트럼선'이다

 

 

일종의 자국이다

항성의 스펙트럼을 상세히 분석하는 건데

천체 물리학에서는 '분해능'이라고 한다

스펙트럼상에 보이는 작은 까만 선들의 위치는

정확히 정해져 있다

 

 

수천 개나 있는 까만 선들이 조금이라도 움직였다면

행성이 있다는 것이다

문제는 항성의 시선 속도를 측정하는 기준인

까만 선들의 크기이다

우리가 원하는 것보다 너무 크다

까만 선 하나로는 정확한 위치 파악이 어렵다

까만 선의 정보를 수천 개 모으고

수많은 계산을 거쳐야 원하는 걸 알아낼 수 있다

정말 복잡한 과정이다

 

우리가 만든 관측 기계는 항성 표면도 자세히

관측할 수 있다

항성의 표면은 변화한다

흑점도 있고, 진동하기도 하면도 계속 움직인다

그 미세하고 복잡한 데이터를 정확히 분석할 수 있어야

행성으로 인한 항성의 시선 속도 변화를 계산할 수 있다

그 모든 것을 해낸 멋진 분광기가 바로 엘로디이다

 

 

세밀한 스펙트럼 생성을 위해 새로 개발된 광학 부품을 썼다

 

< 엘로디 분광기 특징 >

1. 에셀 회절격자를 사용해 천체를 고분산 관측

(90년대 망원경 중 최초)

 

2. 최초로 광섬유 사용

70년대 후반, 오늘날 널리 알려진 광섬유라는 게 개발됐다

시간이 지나 광섬유의 효율이 좋아진 뒤에야

천체 물리학의 주 영역인 가시광선에 쓸 수 있게 됐다

광섬유는 빛의 관 같은 것이다

망원경이 관측한 빛을 광섬유를 써서 분광기에 옮기는 것이다

완벽하게 통제된 환경인 지하실로 말이다

광섬유가 있고 없고는 천지차이다

만약 없다면 분광기를 망원경 뒤에 딱 붙여 놔야 한다

하지만 망원경 뒤는 좋은 환경이 아니다

외부 공기도 유입되고 온도도 계속 바뀌고

망원경 위치와 중력도 바뀌는 등 계속 움직인다

광섬유를 적절하게 이용한 덕분에 분광기를

지하에 둘 수 있게 됐다

 

수천 개의 스펙트럼선 데이터를 종합하고

항성의 맥동이나 흑점 등의 변동도 계산해야 해서

아주 강력한 컴퓨터가 필요했다

그런데 90년대에 '미니컴퓨터' 혁신이 일어났다

썬 마이크로시스템즈라는 회사가 제품을 만들었는데

거대한 메인프레임 컴퓨터의 부품을 복제해 만든

영리한 제품이었다

그 신형 컴퓨터를 이용하기로 했다

쓸 수 있는 프로그램이 없어서 코드를 새로 짜야했다

그렇게 94년에 완성된 분광기는 행성을

탐지할 수 있을 정도로 정밀했다

94년에 본격적인 외계 행성 탐사가 시작됐다

 

태양과 가까운 140개 정도의 밝은 항성을 관측했다

항성의 움직임 변화를 통해 목성 같은 행성의

존재를 확인하려 했다

목성 같은 행성을 찾으려면 긴 시간(11년 이상)이 필요했다

시선 속도 변화도 아주 느려서 몇 달 사이엔

아무것도 찾을 수 없다

관측을 하던 중 놀라운 것을 발견했다

항성 중 '페가수스 51'이 예상과 다르게 움직인 것이다

매일 관측할 때마다 결괏값이 차이가 났다

항성의 시선 속도가 매일 바뀌었다

 

페가수스자리51 (태양형 항성) 출처: ESO/Digitized Sky Survey 2/A

 

목성 같은 행성의 영향은 몇 년에 걸쳐 나타나는데

말이 안 됐다

데이터 오류 같아서 한참을 씨름했지만

결국 진짜 행성이 있다고 믿게 됐다

관측한 데이터에 해당하는 행성은 목성과

질량이 비슷할 거라고 생각했다

하지만 큰 문제가 있었다

그 행성의 공전 주기는 4일을 조금 넘었다

항성과 너무 가까워서 행성이 익을 정도였다

'펄펄 끓는 목성'인 셈이다

그런 행성은 존재할 수 없기 때문에 이상했다

그때까지 우리는 태양계 행성들밖에 몰랐다

패러다임을 전환해야 했다

우주에 우리가 알던 것과 다른 행성이 있다고 말이다

우리가 발견한 행성은 태양계 행성과 달랐다

 

11월 저명한 학술지 '네이처'에 발표했다

하지만 극소수를 제외하고는 우리 발견을 믿지 않았다

거의 3년간 학계에서 인정되지 않았는데

반전이 벌어졌다

단주기 행성의 공전궤도는 항성과 동일한

평면에 놓일 확률이 높다

※ 단주기 행성(Short-period planet): 공전 주기가 짧은 행성

즉 '항성 표면'을 지날 확률이 무려 10%나 된다

HD 209458이라는 아주 유명한 항성이 있는데

그 항성 앞을 '뜨거운 목성'이 통과했다

항성 앞을 지나가는 행성의 존재 때문에

항상의 밝기가 살짝 어두워지는 게 관측됐다

 

 

동시에 항성의 움직임 변화도 감지됐다

즉 행성이 항성 표면을 통과하는 현상을 관측한 것이다

그게 99년도 일이다

한 세기가 끝나기 직전에 '뜨거운 행성'형 행성의

존재가 완전히 확실해졌다

전혀 다른 두 가지 방법으로 행성을 확인한 것이다

행성 때문에 항성의 밝기가 줄어드는 '항성 표면 통과 방법'과

우리가 만든 항성 속도 변화를 감지하는 장치로 말이다

그 순간 우리가 '페가수스자리 51b'라고 이름 붙인

행성의 존재를 모두가 믿게 됐다

(1995년 발견된 첫 외계 행성)

지금은 '뜨거운 목성'이라고 불리는 완전히 새로운

종류의 행성이었다

그렇게 대탐험의 시대가 시작됐다

 

 

 

 

 

(2024. 12. 12. 방송)

 

2강  우리 태양계는 왜 특별한가

 

1995년 이래 인류가 아는 외계 행성의 수는

조금씩 늘어나다가 우주 탐사 계획이 시작되며

급격히 늘어났다

지금까지 발견된 행성 수는 적어도 수천 개가 넘는다

(2024. 10. 15. 기준 / 5,780개_출처: NASA)

이렇게 수많은 행성이 발견됐다는 게 무슨 뜻일까?

우리는 이 태양계를 얼마나 이해하고 있을까?

 

35년 전 인류의 과제 중 하나는 해결됐다

태양계 밖 항성에서 행성을 찾는 거였다

다음 과제는 외계 행성을 분류하는 거였다

첫 행성은 태양계 행성과 많이 달랐다

그런 문제에 답하려면 큰 그림을 봐야 한다

지금까지 알아낸 것들을 되돌아보는 것이다

지금까지 발견한 행성들을 나열하고 각종 수치를 비교해 보자

행성을 직접 관측하고 수집한 데이터이다

 

< 외계 행성 관측 데이터 >

공전주기(행성이 궤도를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간)

질량(행성의 움직임을 통해 알 수 있다)

크기(항성 표면 통과 방법으로 알 수 있다)

그렇게 질량, 크기, 공전 주기를 기준으로 수많은

행성을 살펴보면 크게 셋으로 나눌 수 있다

 

< 행성계의 분류 >

1. 뜨거운 목성형 행성(ex. 페가수스자리 51b)

뜨거운 목성형 단주기 행성에 대해 꽤 많은 것을

알아냈는데 주기가 겨우 하루 정도인 것도 있다

목성형 행성과 항성의 거리가 수성과 태양의 거리보다 더 가깝다

2. 태양계와 유사한 행성계

항성과 멀리 떨어진 목성 같은 행성들이다

3. 태양계와 다른 새로운 행성계

미니해왕성과 슈퍼지구라고 불리는 행성들이다

 

 

공전 주기는 하루 미만에서 60-80일 정도고

질량, 혹은 크기는 지구와 해왕성 사이이다

그런 형태의 행성이 존재하리라고는

아무도 생각하지 못했다

관측 연구 결과 미니해왕성과 슈퍼지구야말로

우리 은하에서 가장 흔한 타입의 행성이었다

전체 항성의 50-60% 이상이 그런 행성을 갖고 있다

우리 목성과 비슷한 행성은 5-10%밖에 안 된다

 

태양계 같은 행성계는 어쩌면 드물지도 모른다

은하계의 대다수를 차지하는 건 태양계 같은

행성들이 아니었다

또 하나 큰 문제가 있다

지구와 비슷하면서 지구 같은 궤도를 가진 행성을

하나도 못 찾았다

금성 같은 행성도 못 찾았다

지구의 질량과 크기가 비슷한 행성은 찾았지만

궤도는 다르다

문제는 현재 사용되는 장비들의 정밀도다

지상에서 항성의 움직임을 관측하는 장비도

우주 망원경도 마찬가지다

일정 거리를 넘어가면 장비와 정밀도가 떨어진다

오늘날 우주 탐사 계획의 한계다

 

하지만 한편으로는 아주 흥미로운 지점이다

이건 자연의 선물이다

전부 태양계 행성 같았다면 오늘 강의도 없었을 것이다

우주에는 태양계 행성들보다 훨씬 발견하기 쉬운 행성이 많다

우리가 살아가는 이 태양계는 관측하기 아주 힘든 편이다

태양계 같은 존재는 드문데 조금 특별하다고 할 수 있다

태양계가 특별한 건 생명이 존재하기 때문일지도 모른다

문제는 우리가 이 사실을 이해하기 어렵다는 것이다

 

Q. 어째서 태양계 같은 시스템에서 이렇게 다양한 행성들이 존재할까?

태양계를 탐사하며 많은 데이터를 수집했기 때문에

우린 이미 태양계의 형성 과정을 잘 알고 있다

이를 이해하기 위해선 행성계의 기원을 봐야 한다

젊은 항성들의 경우 특수한 장비로 관측하면 원반이 보인다

 

 

그런 항성 옆에는 다양한 물질로 이루어진

원반이 있는데 이는 항성의 빛이 반사된 것이다

사진을 찍어 마스킹을 해야 보인다

※ 마스킹: 항성 빛을 차단해 원반을 관찰하는 기술

 

 

반사돼 옆으로 퍼진 빛은 각종 미세 물질이 있다는

증거고 이것이 바로 행성의 원료이다

물질들이 엉겨서 초창기 행성을 만든다

나이가 1천만~2천만 년 정도인 어린 항성은 보통 그렇다

태양계는 45억 년이나 됐다

어린 항성 주변에서 행성이 태어난다

 

그 원리를 이해하기 위해 조금 과거로 돌아가 보자

항성 근처에 각종 물질이 많았을 때로 말이다

이번에는 같은 항성 주변의 가스를 살펴보자

 

화가자리 베타 원시 항성계

 

아까 사진으로 봤던 미세 물질과 비교하면

가스가 훨씬 더 두껍게 퍼져 있을 것이다

가스에는 압력이란 게 있다

산꼭대기에 올라가면 조금 답답해도 숨은 쉴 수 있다

돌을 던지면 밑으로 떨어진다

가스는 위치를 유지하면서 더 넓게 퍼지고

더 많은 물질을 함유한다

하지만 일정 거리 이상에선 가스도 사라진다

가스가 사라진 건 너무 춥기 때문이다

온도를 낮추면 수증기가 얼음이 되고 눈이 된다

이렇게 가스가 얼어 고체가 되는 한계선을

'스노우 라인'이라고 한다

 

우주는 압력이 없어서 물, 일산화탄소, 이산화탄소도

액체 상태를 건너뛴다

그래서 가스의 한계선이 중요하다

보통 가스가 고체보다 양이 많기 때문에

가스를 이용하면 훨씬 쉽게 거대 행성을 생성할 수 있다

가스는 눈으로 바뀌니까 많은 눈이 있을 때 

큰 행성이 만들어지게 된다

 

 

그래서 태양계 바깥쪽으로 갈수록 행성이 커지는 것이다

목성이나 토성이 태양 옆이 아니라 바깥쪽에 있는 이유다

이것이 우리가 아는 행성 탄생 과정이다

 

문제는 이 이론이 관측된 다른 행성들과 맞지 않는다는 점이다

그리고 태어난 행성이 움직일 수 있다는 점도 간과했다

먼 곳에서 태어난 행성이 이동했을 수도 있다

실제로 많은 행성이 처음과 위치가 달라졌다

신기하게도 우리 태양계는 행성들 위치가 거의 안 바뀌었다

태양계가 이렇게 특이하다는 건 마법 같은 일이다

다른 항성에선 흔히 일어나는 일이 태양계에선

일어나지 않고 다르게 진행됐다

우린 수많은 행성을 발견했고 새로운 정보를 분석 중이다

행성의 정의에 대한 모두의 인식을 바꾸고 있다

 

하지만 아직 태양계 행성들의 이미지가 강해서

다들 외계 행성도 태양계 같을 거라고 생각한다

큰 행성은 핵과 대량의 가스로 이루어져 있고 지구 같은

작은 행성은 규산염 행성, 암석형 행성일 거라고 생각한다

우린 외계 행성에 관해 많이 알아냈다

질량과 크기를 측정할 수 있었고 이 둘을 결합하면

밀도도 알 수 있다

그렇게 행성 밀도 표를 만들어 지금까지 발견된

행성들을 살펴봤다

 

대부분이 아주 거대한 행성으로 밀도가 목성과 비슷했다

그 행성들은 목성과 비슷하지만 더 뜨겁고 약간 더

팽창되어 있다

토성 같은 행성도 있었다

지금까지 발견된 행성들은 훨씬 다양하다

태양계의 행성들처럼 딱딱 분류할 수 없다

이제 계산 모델에 기반해서 행성의 밀도를 추정해 보자

행성에 물이 더 많거나 가스가 더 적으면 어떻게 될까?

지금까지 발견된 행성들은 구조가 천차만별이었다

(한번 생겨난 행성이 이동하기도 하고 생성 당시

가스 양도 다르니까 당연하다)

그러다 보면 우리가 생각했던 것보다 훨씬 다양한

행성계가 생기는 것이다

 

거대 행성, 작은 거대 행성, 해왕성, 큰 해왕성, 미니 해왕성

슈퍼지구, 암석형 행성 등등 얼마든지 갖다 붙일 수 있다

행성은 온갖 형태로 존재할 수 있기 때문이다

그게 지금까지 행성들의 질량, 크기, 밀도를 측정하며

얻은 결론이다

흥미로운 점은 태양과 다른 타입의 항성에서도

행성이 발견된다는 것이다

태양은 은하계 기준으론 평범한 편이지만

드물게 큰 항성이다

태양의 질량을 지금보다 10배 이상 줄여도 항성이 될 수 있다

그 정도 압력으로 항성이 점화되고 열핵 반응을 일으켜

빛날 수 있다

물론 압력이 낮고 질량이 작기 때문에 빛이 훨씬 약할 것이다

그런 항성을 보통 저온 항성이나 M형 왜성, 또는 

저질량 항성이라고 한다

 

태양보다 차가운 항성에서도 행성이 발견된다는 점은 흥미롭다

그리고 항성의 질량이 작으면 그거 또한 작아진다

놀랍게도 그중 가장 작은 항성은 행성인 목성과 크기가 비슷하다

태양과 목성은 크기가 10배나 차이 나는데 정말 신기하다

태양을 목성 크기로 줄여도 여전히 빛난다는 뜻이다

목성과 지구 역시 크기가 10배 차이 난다

목성이 태양 표면 통과 방법으로 관측될 때처럼

저질량 항성을 도는 지구 같은 행성도 똑같이 관측될 것이다

저질량 항성은 일반적으로 찾기 힘든 행성계나 작은 행성도

찾을 수 있는데 크기의 비율이 똑같기 때문이다

게다가 그런 항성은 온도도 낮아서 지구와 비슷한 온도를

유지하려면 항성과의 거리가 가까워야 한다

우주에는 다행히 단주기 행성이 정말 많다

작은 항성 주위를 도는 수많은 행성 중 지구와 온도가

비슷한 행성이 많다

 

 

 

 

 

(2024. 12. 13. 방송)

 

3강  외계 생명체는 존재하는가

 

태양계 행성들은 탐사선만 보내도 쉽게 조사할 수 있고

우주선을 보내 뭔가 가져올 수도 있다

하지만 외계 행성과 항성은 너무 멀어서 닿을 수가 없다

외계 행성을 잘 알려면 어떡해야 할까?

외계 행성은 어떻게 만들어졌고 왜 그렇게 특이할까?

이제 우린 외계 행성을 찾을 수 있고

질량, 지름, 밀도도 알아낼 수 있다

 

행성의 대기 정보는 어떻게 알 수 있을까?

대다수 외계 행성이 항성 표면을 통과하다가

발견됐다는 사실을 이용한다

※ 항성 표면 통과 방법

: 행성이 항성 앞을 지날 때 밝기 감소를 관측해

외계 행성을 탐지하는 방법

그 점을 다양한 방법으로 이용하고 있다

가상의 행성계를 상상해 보자

항성 주위를 도는 행성을 망원경으로 보고 있다

행성은 빛을 뿜는 동시에 빛을 반사한다

달처럼 말이다

항성이 너무 밝기 때문에 보통 항성의 빛만 보이지만

사실 행성의 빛도 늘 조금은 보인다

그런데 행성이 사라질 때가 있다

행성이 항성 뒤에 있을 때이다

늘 있는 일은 아니고 몇 시간만 지속되는 현상이다

길어 봤자 6-8시간 정도다

중요 기준점 > 행성이 사라지는 순간

항성만의 빛을 정확히 파악 가능

그리고 행성이 다시 모습을 드러냈을 때

아주 민감한 감지 장치로 그 행성계를 조사하면

행성계 빛의 미세한 변화를 감지할 수 있다

 

 

빛의 변화를 탐지해서 행성이 항성 뒤로

돌아갔을 때와 비교하는 것이다

쉽게 말해 수치를 빼는 것이다

이런 방법으로 행성의 대기 온도를 측정한다

적외선으로 열복사를 측정하면 알 수 있다

이런 관측법은 20년쯤 전에 인공위성을 활용해 이루어졌다

(지금은 사라진 방법이다)

 

행성의 대기 조사에 쓰이는 훨씬 대단한 기술도 있다

그 기술의 원리를 이해하려면 해가 뜨고 질 때 중

아무 쪽이나 생각해 보면 된다

사실 태양 자체는 바뀌지 않고 늘 그대로다

우리 눈에 들어오는 빛이 바뀔 뿐이다

해 질 무렵의 햇빛은 우리 눈에 도달하기까지

두꺼운 대기층을 통과하기 때문에 색이 바뀌는 것이다

파란색 빛은 대부분 두꺼운 대기층을 통과하지 못해서

흩어져 버린다

빨간색 빛은 대기를 뚫고 들어와 해가 빨갛게 바뀌는 걸로 보인다

즉 바뀐 게 아니라 빨간색만 들어온 것이다

 

항성 표면 통과, 즉 행성이 항성 앞을 지나는 현상이 일어나면

항성 빛의 일부가 행성을 스치듯 지나온다

약 1%의 극히 적은 빛이 태양처럼 대기의 영향을 받는다

미세한 변화지만 민감한 장비는 감지할 수 있다

여러분이 어떤 우주선에 타서 궤도에 올라가 지구를 본다고 치자

그러면 푸르스름하게 빛나는 얇은 층이 보일 것이다

그게 바로 대기층이고 가시광선으로 확인할 수 있다

※ 생물권: 생물이 존재하고 활동할 수 있는 영역

우리가 살아갈 수 있는 이유인 '생물권'이다

지구 반지름이 6,000km인데 대기층은 겨우 몇 킬로미터다

지구의 크기에 비하면 대기층은 아주 얇다

 

이제 같은 지구를 다른 방법으로 촬영해 보자

적외선을 사용해 지구를 관측해 보는 것이다

적외선으로 보면 열복사를 볼 수 있다

행성에서 나오는 열을 감지할 수 있다는 뜻이다

지구의 열은 대기가 아닌 지면에서 나오기 때문에

열복사를 관측하면 지구의 표면만 보인다

 

 

대기가 제외되고 지표면만 보이니 행성이

좀 작게 보인다

중요한 개념인데 행성은 관측할 때 쓰는

파장에 따라 크기가 달라 보인다

지표면을 보느냐, 대기를 보느냐에 따라 크게 달라진다

아예 특정 분자에 잘 반응하는 특정 색상의 파장을 쓸 수도 있다

그중 유명한 분자가 오존인데 3개의 산소 원자가 결합한

특수한 물질이다

오존층은 아주 높이 있기 때문에 오존 분자에 반응하는

적외선 파장으로 보면 지구가 더 크게 보인다

 

 

오존이 9.6 마이크론 적외선 파장대의 빛을

거의 흡수한다

항성 표면 통과 방법은 분석기에 도달한 빛의 양을

측정하는 기술이다

행성이 항성 앞을 지나가면 그림자 같은 게 생겨서

지구에서 보면 빛이 줄어든 것처럼 보인다

예를 들어 목성의 지름은 태양의 10%이다

항성 통과 효과는 가려지는 면적의 제곱에

비례하기 때문에 1%이다

빛이 1% 가려지는 것이다

이론적으로는 작은 망원경이나 핸드폰으로

목성의 통과를 관측할 수 있다

하지만 더 작은 행성의 통과는 관측하기 어렵다

지구의 지름은 태양의 1%, 목성의 10%이다

그 지름 차이를 제곱하면 엄청나게 작은 수치가 된다

천 분의 일 미만이라 관측이 불가능하다

 

항성 표면 통과 방법은 행성의 지름도 쟨다

관측에 쓰는 파장대를 바꾸면 행성의 지름이 다르게 보인다

즉 지표면, 상층 대기 혹은 중간층 대기를 볼 수 있는데

이는 빛을 흡수하는 분자의 종류에 따라 달라진다

이를 '항성 표면 통과 분광법'이라고 한다

1. 빛의 파장 변화를 통해 외계 행성 대기 관측

2. 특정 파장을 흡수하는 분자를 탐지해 대기 성분 분석

 

엑스선과 비슷하다

엑스선은 몸을 통과할 수 있지만 뼈는 안 된다

엑스선 전문가는 신체 어디를 통과하는지 보고

정확히 해석한다

행성 대기를 엑스선으로 촬영하는 셈이다

심지어 행성의 대기에 어떤 분자가 있는지 알 수 있다

외계 행성의 대기를 탐사할 수 있다는 것이다

지금 우주엔 사상 최대 크기의 우주 망원경이 있다

달 뒤에 있는 제임스 웹 우주 망원경이다

※ 제임스 웹 우주망원경: 2021년 발사된 세계 최대 우주망원경

엄청난 성능의 망원경으로 행성 통과 중의 빛을 포착해

엑스선 촬영처럼 빛을 분석한다

 

물은 외계 행성 대기에 흔하다

분자 구름에서 항성이 태어날 때 물 분자가 생기는데

그 대량의 물이 행성에 유입되기도 한다

물이 어떻게 유입되고 머무는지는 수수께끼다

이산화탄소 등 다른 분자도 마찬가지다

 

최근 항성 표면 통과 분광법으로 어떤 행성 대기의

스펙트럼을 측정했다

k2-18b: 2015년 발견, 생명체 거주 가능 영역

그 행성은 해왕성과 비슷한 '미니해왕성'이었다

해왕성과 대기도 비슷할 줄 알았는데 아니었다

관측 파장대에 따라 행성의 지름이 달라지는 걸 이용해

흥미로운 분자들을 확인할 수 있었다

그중엔 해왕성에 존재할 수 없는 분자도 있었다

대기 중에서 관측된 다양한 분자들을 통해

해왕성과 다르다는 결론을 내렸다

미니해왕성에는 제대로 된 지표면이 있었고

물이 있을 것으로 추정되는 깊은 바다도 있었다

수심이 자금치 1,000km 정도였다

수심이 20km인 지구에 비하면 엄청 깊은 바다다

 

천체 물리학자들이 SF 작가들보다 상상력이 뛰어날 때도 있다

있을 수 없는 행성들을 발견한다

태양계에는 대기가 있는 행성, 대기가 없는 행성도 있다

지구의 대기는 평범하지만 금성은 대기 밀도가 높고

이산화탄소가 많다, 화성엔 대기가 없다

 

행성의 크기가 달라지면 대기도 달라질까?

우리는 작은 항성을 중심으로 하는 단주기 행성들을

많이 발견했다

그중 '트라피스트-1'이라는 유명한 행성계가 있다

(작은 태양계로 불리며 일부 행성은 생명체 거주 가능 영역에 위치)

트라피스트-1 행성계의 행성중에는 지구와 비슷하게

복사 에너지를 받는 곳도 있다

트라피스트-1 행성들은 우리 태양계의 행성과 크기가

비슷하지만 전체 행성계의 규모는 다 작다

 

 

항성의 에너지가 적으면 행성계의 전체적인 지름이 작아진다

일종의 작은 태양계라고 볼 수 있다

최근 그 행성의 대기를 조사 중이다

아직 대기 자체를 찾지 못하긴 했다

중요한 건 수치다

목성이 태양과 같은 항성을 지나갈 때 1%의 빛이 가려진다

해왕성이 통과하면 0.001%에 가려진다

만약 외계 행성 대기를 탐지하려면 표면 통과 현상보다

1%는 더 미세한 수치를 포착해야 한다

1%의 1%, 혹은 1,000분의 1의 1%인 아주 작은 수치이다

지금의 기술력으로는 한계가 있다

 

암석형으로 추정되는 행성에서 물을 찾을 수 있을까?

물이 없다면 왜 없을까? 물 외에 다른 건 없을까?

지금 모두의 관심사는 외계 생명이다

태양계 외의 행성을 몰랐던 우리는 단 30년 만에

다양한 행성을 알게 됐다

이제 우린 다음 단계로 넘어갈 준비가 됐다

지금은 대기가 있는 행성만 조사할 수 있다

 

 

 

 

 

(2024. 12. 16. 방송)

 

4강  생명은 어떻게 탄생했나

 

우린 지금까지 항성 주위를 도는 외계 행성계에 관해

많은 것을 알아냈다, 이제는 근본적인 질문을 할 때이다

왜 태양계는 이런 형태일까? 왜 태양계엔 생명체가 있는 걸까?

우주엔 왜 생명이 있을까?

지구는 은하 내에 어떤 항성 주위에 있는 행성 중

하나일 뿐이다

우주에는 은하와 항성이 수천수만 개는 있다

그런데 이 지구에만 생명이 있다는 건 이상하다

 

지구에는 왜 생명이 있을까?

크리스티앙 드뉘브(벨기에 생화학자)는 이렇게 말했다

"생명체의 탄생은 우주의 물리적, 화학적 구조 속에서 필연적이다"

생명은 우주에 내재돼 있었고 때가 되어 나타났다는 것이다

"생명체가 존재하는 곳이 많을 것이다. 여기저기 생명이 나타나다 보면

은하 곳곳에서 지성체나 고등 생명체가 나타날 수 있다"

논리적으로 생각하면 우주에 생명체가

많을 수밖에 없다는 것이다

근거 있는 이론일까?

 

Q. 생명이 우주의 구조에 내재돼 있다는 게 무슨 뜻일까?

우주에는 시작이 있다

시작될 때 단순한 물질들이 생겨났다

중력으로 인해 수소 원자가 응집되면서 핵융합을 일으켰다

그 핵융합의 결과로 항성들이 태어났다

항성들은 지금 우리 몸에 있는 다양한 화학 물질을

만들기 시작했다

산소(O), 탄소(C), 질소(N), 철(Fe)

우주 탄생 초창기 항성 속에서 만들어진 물질이다

그런 원소들은 처음부터 우주에 내재돼 있었다

처음에는 없었지만 나타날 가능성이 있었고 실제가 됐다

중력은 그렇게 항성을 만든 다음 남은 원료로 겸사겸사

행성들도 만들었다

그렇게 행성과 각종 원소가 탄생하자 온갖 화학 반응이

발생하기 시작했다

화성, 금성, 목성, 토성에서 복잡한 화학 반응이 

일어나기 시작했다

화학 반응도 우주 구조의 일부였다

 

Q. 생명이라는 더 복잡한 화학은 어떨까?

어느 순간 화합물이 조금씩 생명을 얻게 됐다

하루아침에는 불가능하지만 생각보다 빠르게 일어난다

초창기 지구에서도 일어난 일이다

화학 반응으로 생명이 출현했다

지구가 탄생하고 5억 년이 지나서였다

10억 년도 안 됐는데 생명이 존재했다는 증거가 있다

※ 스트로마톨라이트: 약 35역 년전 최초의 생명체 화석

생명이라는 것도 평범한 화합물이나 원자처럼

우주의 일부일지도 모른다

다들 생명을 과대평가하지만 실은 우주의 평범한 일부다

우주의 가능성일 뿐이다

 

과연 그 가능성이 지구에서만 실현될까?

우주는 생명으로 가득하고 그걸 찾는 게 우리 일이다

그럼 왜 외계 생명의 존재를 믿기 힘든 걸까?

우리는 지구의 완성된 생명체만 보기 때문이다

지구의 생명들은 대단히 발달하고 복잡한 오랜 진화의

결과물이다

생명의 역사를 생각해 보라

'캄브리아기 대폭발'이라고 불리는 생명의 폭발적 진화는 

고작해야 5억 년쯤 전 일이다

※ 캄브리아기 대폭발: 약 5억 4천만 년 전 다양한 생물종이 급격히 출현한 사건

그 이전의 30역 년은 진화가 아주 느리고 큰 변화가 없었다

서서히 진화했지만 지금처럼 눈에 보이는 생물이 대규모로

출현하진 않았다

 

사람은 100만 년 전 나타난 진화의 마지막 주자이다

태양계의 나이는 약 45억 년인데 말이다

우린 본격적인 진화가 시작된 후의 생명에만 집중하지만

생명의 역사는 한참 전에 시작됐다

생명의 시작은 우리의 조상일 박테리아였다

박테리아는 지금까지도 지구의 주인이다

놀랍게도 박테리아 또한 우리 같은 방식으로 만들어졌다

나무도 우리도 동일한 방식으로 만들어졌다

모두 화학적 구조, 아미노산, 기능, DNA를 구성하는

시스템이 동일하다

지구의 모든 생명체는 단 하나의 완벽하게 최적화된

시스템으로 작동된다

물론 끝까지 발달 못하고 멈출 수도 있다화성이 그랬을 것이다

 

화성이 탄생하고 10억 년간은 물이 가득했다

그때는 화성에도 지구와 같은 생명체가 존재했을지도 모른다

금성도 물만 있었다면 생명이 존재했을 수도 있다

물론 금성은 이미 끝났고 물이 없다

극심한 온실 효과로 물이 완전히 사라져 버렸다

생명이 특별하지 않다는 것이다

생명은 우연히 환경이 맞아떨어져서 발전한 결과다

 

인간은 어떤 면에선 아주 이례적이다

놀라운 지적 능력을 갖추고 지구의 어떤 생물도

하지 않는 일들을 한다

인간은 미래를 예측하고 도구를 만들고 계산을 한다

수천억 개의 뉴런을 이용한다

인간은 특별하면서도 위협적인 생물이다

이 때문에 인간종은 오래 살아남지 못할 수도 있다

너무 고도하고 강력하기 때문이다

 

전생물적 합성(prebiotic machinery)

생명이 발생하기 전의 화학적 시스템을

'전생물적 합성'이라고 한다

생명은 바다 밑에서 발생했다는 게 정설이다

거기에 생명과 비슷한 화학적 시스템이 있다

하지만 그 가설은 최근 힘을 잃었다

사실 그런 시스템은 없었다는 의견이 늘었다

최근 대두된 건 사이안화수소 학설이다

※ 사이안화수소 학설(HCN hypothesis)

: 사이안화수소(HCN)가 생명체의 기초가 되는 

분자 합성에 중요 역할을 했다는 가설

생명 이전의 화학적 상태를 재현하기 위해

활발한 연구가 진행 중이다

 

태양의 자외선과 물이 이것저것 뒤섞인 화학 물질을 만나면

생명이 발생할 수도 있음을 보여주는 실험이 있다

죽기 직전인 사람을 다양한 장비로 연명시키는 것과 비슷하다

생명은 그렇게 시작됐을 것이다

불안정한 물질들이 마구 움직이다가 이런저런 계기로

조금씩 생명에 가까워진 것이다

변화가 너무 빠르면 죽어 버리니까 천천히 진행됐을 것이다

절묘한 균형 상태였던 것이다

하지만 우리는 생명이 금방 탄생한다고 생각한다

또 생명이 딱딱 태어나고 죽는 거라고 착각하곤 한다

어쩌면 생명은 수없이 생겼다가 사라졌을 것이다

그러다 어느 순간 생명체가 되고 지구에 걷잡을 수 없이 퍼진 것이다

 

생명의 발생은 너무 과거라 연구가 어렵다

초창기 지구의 생명은 지금과 많이 달랐다

지구의 대기도 화학적 성질도 달랐다

그 시기는 완전히 지나갔고 자료도 없다는 게

큰 난관이다

그래도 초창기 지구에 관해 알아낸 게 있다

예를 들어 지구의 산소량이 급격하게 증가한 적이 있는데

그런 환경 변화로 생물들이 거대해지고 지금처럼 진화했다

생명의 진화를 낳은 건 지구 특유의 구조였고

지구의 구조를 낳은 건 당시의 천체 물리학적 환경이었다

 

초창기의 지구는 엄청나게 뜨거운 천체였다

끓는 용암 덩어리 위로 온갖 물질이 떨어졌다

곧 온도가 내려가며 대기에 이산화탄소가 풍부해지고

액체 상태의 물이 생기며 전생물적 환경에서

화학반응이 일어났을 것이다

그 화학 반응이 발전하다가 마침내 생명이 탄생한 것이다

그 생명은 지구의 자연과 대기를 바꿔 놓기 시작했다

생명이 어느 정도 발전하면 반드시 행성의 대기를 변화시킨다

물론 생명이 그만큼 발전하지 않을 가능성도 있다

생명이 발생했지만 진화가 멈춰서 대기를 못 바꿀 수도 있다

그래도 암석에 흔적이 남을 수 있으니 화성에서 그걸 찾고 있다

 

외계 행성의 대기는 어떻게 구성되는지 조사해야 한다

이것이 앞으로 50~100년간 천체 물리학계의 과제이다

행성의 대기는 항성 표면 통과 방법으로 조사할 수 있지만

앞으로 더 많은 것을 알게 될 것이다

어쩌면 대부분의 행성이 금성처럼 생명체가 없는 환경일 수도 있다

하지만 물이 있는 행성이나 지구와 비슷하거나 똑같은 

행성도 있을 수 있다

그때부턴 본격적으로 행성의 상황을 조사할 차례다

 

☆  우리의 과제   ☆ 

1. 지구의 생명 탄생 과정을 알아내 실험으로 재현

생명으로 이어지는 길이 존재한다는 걸 밝히고

외계 행성에서도 생명이 발생할 수 있음을 증명해야 한다

2. 다양한 생명의 가능성 탐구

언젠가 지구의 생명을 이해하게 되면 생명이 도달할 수 있는

다른 가능성을 연구할 수 있을 것이다

다른 행성의 생명과 비교할 수 있을 것이이다

 

알고 보면 생명은 생각보다 흔하고 단순한 존재일지도 모른다

하지만 인간은 아주 드물게 탄생하는 한 순간의 존재이다

지구에 생명이 발생하고 진화하는 데 40억 년이나 걸렸다

웬만한 행성에서는 불가능할 것이다

우연히 큰 동물이 나타난다 해도 운석 충돌이나 공룡

멸종이 없으면 우린 없었을 것이다

많은 우연이 필요하기 때문에 의식과 자각이 있는

생명은 매우 드물 것이다

인간은 귀한 존재라는 뜻이다

인간은 지적 능력도 뛰어나고 호기심도 강하고

대단히 강한 존재이다

태양의 힘을 이해하고 그걸 복제하기까지 했다

인간이라는 종이 사라질 가능성이 극히 크다고 본다

그래도 생명은 사라지지 않을 것이다

우주는 생명으로 가득하지만 의식과 자각이 있는

생명은 극히 드물지도 모른다

이는 우주에서 우리의 역할과 존재 가치에 대해 생각하게 만든다

우린 인간 존재라는 선물을 소중히 다뤄야 한다

그 탐구에 천체 물리학이 도움이 될 것이다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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