Half the Milky Way’s sun-like stars could be home to Earth-like planets

지구를 닮은 행성, 은하계에 존재할까

외계행성에 대한 새로운 연구에 따르면, 태양과 같은 항성을 도는 생명체 거주 가능 행성이 최소 3억개 또는 그 이상일 수도 있다.

천문학자들은 약 4,300개의 외계행성을 발견하였다. 현재 은하계는 외계행성으로
가득하다. 그러나 이런 신세계 발견은 우표 수집처럼 간단한 일이 아니다. 먼 거리를 여행할 수 있는 방법을 발견한 미래의 인간이나 이미 살 곳을 마련한 외계 생명체처럼 삶의 터전이 될만한 곳을 찾는 것이다. 그런 곳을 찾는 제일 좋은 방법은 지구와 닮은 행성 찾기다.

태양 같은 별 발견 보다 제 2의 지구 찾기에 더 좋은 방법은 무엇일까? 미 항공우주국(NASA)은 2009년부터 2018년까지 케플러 우주망원경(Kepler Space Telescope)을 이용하여 외계행성 데이터를 수집했다. 암석이 많고 생명체가 거주 가능한 지구형 행성은, 온도와 나이가 태양과 비슷한 은하계의 별 주위를 공전할 가능성이 얼마나 높은 지에 대한 새로운 예측이 제시되었다. 현재 은하계에 태양과 비슷한 별이 41억개 있다고 가정할 경우, 생명체 거주 가능 행성을 적어도 하나 보유한 별은 최소 3억개에 달한다.

이 모델은 평균적으로 태양 같은 별 두 개 중 하나는 생명체 거주 가능 행성을 보유하고 있다고 가정하며, 이렇게 되면 거주 가능한 행성 개수는 20억개 이상으로 증가한다. 보수적으로 예측해도 36억개가 넘을 수 있다.

이번 연구는 아직 동료평가를 받지는 않았지만 조만간 평가를 거쳐, 천문학저널(Astronomical Journal)에 발표될 예정이다.

로체스터대 물리학자 겸 천문학자인 아담 프랭크(Adam Frank)는 연구에 참여하지는 않았으나 이렇게 언급했다. “이 연구는 상당히 조심스러운 연구이며, 케플러 우주망원경 자료와 관련하여 정말 까다로운 문제를 다루고 있다. 생명체 거주 가능 행성이 평균 몇 개인지에 대해 완전하고 믿을만하며 정확한 예측을 하는 것이 이 연구의 목표이다. 꽤 잘 하고 있는 것 같다.”

그동안 과학자들은 케플러 관측 데이터를 활용하여 은하계에 얼마나 많은 태양 같은 별들이 생명체가 거주 가능한 외계행성을 보유하고 있는지 알아내기 위해 다양한 시도를 했다. 그러나 연구 결과는 1% 이하부터 100%(별 주위의 여러 행성)까지
다양했다. 케플러 관측 자료로 연구하는 것이 얼마나 힘든 지를 잘 보여주는 결과라고 캘리포니아 NASA 에임스 연구 센터(NASA Ames Research Center)의 스티브 브라이슨(Steve Bryson)은 전했다. 브라이슨은 새로운 연구의 수장을 맡고 있다.

1) 불완전한 데이터 2) 케플러 관측 데이터 세트에서 오류를 걸러내야 할 필요성, 이
두 가지가 큰 문제였다.

새로운 연구는 두 가지 문제를 모두 해결한다. 케플러 외계행성 전체 데이터 세트(15만개 별에서 4000건 이상 탐지)를 처음으로 사용한 것이지만, 은하계 모든 별을 매핑하는 유럽우주국(European Space Agency) 가이아(Gaia)의 항성 데이터도 활용하고 있다. 불확실성은 줄이고 최종 추정치의 정확도는 높이는데 유용했다. 과학자들이 수년 간 케플러 자료를 분석하여 불분명한 요소는 제거하고 진짜 외계행성만 관측됐는지 확인한 후 발생한 일이다. 케플러와 가이아 관측 자료로 무장한 브라이슨과 연구팀은 태양 같은 별들의 은하계 형성 비율, 암석으로 된 행성이 있을 가능성이 높은 별의 개수(반경이 지구의 0.5배~1.5배인 별), 행성의 생명체 거주가능성을 판단할 수 있었다.

평균적으로, 브라이슨과 연구팀은 은하계에 있는 태양 같은 별 중 37%~60%가 최소 하나의 거주가능 행성을 갖고 있을 것으로 추정한다. 낙관적으로 예상했을 때 확률은 88%까지 올라가지만, 보수적인 기준으로는 7%(3억 개)로 낮아진다. 이 수치를 근거로 연구팀은 지구에서 30광년 떨어진 곳에 생명체 거주가능 행성을 보유한 태양 같은 별이 4개가 있을 것으로 예측하고 있다.

“케플러 망원경의 당초 임무는 숫자를 정확히 계산하는 것이었고, 우리는 항상 이렇게 할 생각이었다”고 브라이슨은 전한다.

거주가능성은 어떤 행성의 표면에 액체 상태의 물이 존재할 수 있을 정도로 온도가
적당한 지 여부와 관련이 있다. 우리가 알고 있는 것처럼, 물은 생명에 필수적인 요소이기 때문이다. 대부분의 연구는 모항성(Host Star)에서 외계행성까지의 거리를 측정하고, 궤도가 소위 생명체 거주가능 영역(Goldilocks Zone)에 너무 가깝지도 너무 멀지도 않은지 확인함으로써 거주가능성을 파악한다.

특정 항성 하나를 탐구할 때, 궤도 거리는 유용한 측정 기준이 된다고 브라이슨은 주장한다. 하지만 하늘에 있는 수많은 별은 여러 강도의 열을 주변 물체에 전달하여
각양각색의 밝기를 보여주는데, 이것은 곧 생명체 거주가능 영역이 다양하다는 것을 의미한다. 대신에 연구팀은 외계행성의 표면에 부딪히는 빛의 양 측면에서 거주가능성을 고려하기로 했고, 논문에서는 “별들의 흐름(Instellation Flux)”이라고 한다.

별빛 밝기 데이터를 통해 “샘플에 있는 항성 주위의 모든 행성에 대해, 실제 거주가능 영역에 있는지 여부와 상관없이 행성의 실제 온도를 측정하고 있다. 거리와 관련하여 믿을만한 온도 수치 같은 것은 없다”고 브라이슨은 말했다.

브라이슨은 이번 연구의 불확실성이 예전보다는 줄었지만, 여전히 꽤 크다고 한다.
암석이 있는 외계행성 샘플 개수가 너무 적은 것이 주원인이다. 케플러 우주망원경은 2,800개 이상의 외계행성을 관찰했는데, 그 중 일부는 태양 같은 별 주위를 돈다. 은하계에 존재하는 수억 개의 별을 예측하는 데 사용하기에는 이상적인 수치가 아니다. 브라이슨은 “관측된 샘플이 너무 적기 때문에, 무엇이 진실인지 말하기에는 한계가 있다”고 했다.

새로운 연구는 현실에서 극적으로 벗어날 수 있는 이러한 외계행성에 대해 단순 모델을 가정한다 (예를 들어, 이 별들 중 일부는 다른 별과 함께 쌍성 시스템(Binary Star System)을 형성할 수도 있다). 단순 모델에 변수를 더하면 정확한 그림을 구축하는데 도움이 되겠지만, 그렇게 되려면 지금 우리에게 없는 정밀 데이터가 필요하다.

정밀 데이터를 얻는데 도움이 되는 것은 바로 이런 연구들이다. 케플러 관측의 취지는 과학자들이 항성간 물체를 파악하도록 돕는 것이었다. 특히 과학자들은 관측 시간이 제한된 우주 기반 망원경을 통해 외계 생명체의 존재를 파악하는 연구에 더 많은 자원을 투입해야 했다. 여기에는 거주가능 외계행성에 대기권이 있는지의 여부 또는 생명 지표(Biosignature) 가능성의 본거지인지를 판단할 수 있는 기구들이 포함된다. NASA의 제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)과 유럽우주국(European Space Agency)의 플라토 우주 망원경(PLATO Telescope)도 해당된다. 이번과 같은 최신 연구는 엔지니어가 작업 수행시 더 적합한 망원경을 설계하는데 도움을 줄 수 있다.

“은하계의 태양 같은 별은 거의 모두 생명체 형성이 가능한 행성을 가지고 있다. 이 질문은 인류 역사상 2,500년이 넘게 지속되었는데, 지금 우리는 해답을 알고 있을 뿐만 아니라 관련 지식도 구체화하고 있다. 이 논문은 생명체가 살기에 적합한 행성이 많다는 것을 보여준다”고 프랭크는 말한다.

미리보기 3회1회

MIT Technology Review 구독을 시작하시면 모든 기사를 제한 없이 이용할 수 있습니다.