과학자들은 어떻게 생명이 존재할만한 행성을 찾고 있을까?

 

 

그림 1> 독성 가득한 불모지인가 아니면 숲이 우거진 파라다이스인가?

이 상상화는 왼편으로는 슈퍼 금성(Super Venus)을 그리고 오른쪽으로는 슈퍼 지구(Super Earth)를 묘사하고 있다.

과학자들은  '생명가능구간'이라는 개념을 이용하여 우리 태양계 바깥에 존재하는 행성들 중 이렇게 두 개 유형의 행성을 구분하고 있다.

슈퍼 금성과 슈퍼 지구는 각각 금성 및 지구와 유사한 행성이지만 질량은 훨씬 큰 행성을 말한다.

우리 태양계에서와 마찬가지로 슈퍼 지구는 대양을 품고 있을 가능성이 있음에 반해 슈퍼 금성은 메마르고 유독가스가 가득 들어찬 불모지일 가능성이 높은 행성을 말한다.

 

생명이 넘쳐나고 있는 행성 하나를 우리는 알고 있다.

당신이 생각했을 그 행성은 바로 지구이다.
지구는 표면에서 생명을 번창시킬만한 적합한 조건을 가지고 있다.

 

우리 태양계 너머에 있는 다른 행성들, 즉 외계행성이라 불리는 그곳엔 과연 생명을 품고 있는 행성이 있을까?

 

천문학자들 역시 아직 그 답을 알지 못하지만 몇 가지 기준을 활용하여 생명의 서식이 가능할만한 행성을 찾고 있다.

 

생명이 이곳 지구에서 탄생했다는 것은 의심의 여지없는 사실이라는 것을 알기 때문에 가능한한 천문학자들은 모든 조건이 지구와 같은 행성을 찾을 수 있기를 희망하고 있다.

그리고 그러한 행성을 찾기 위해 지구 정도 크기의 행성, 그리고 자신의 별로부터 적당한 거리 - 이 지역을 '생명가능구간(the habitable zone)'이라 부른다 - 를 공전하고 있는 행성을 찾는 방법을 쓰고 있다.

 

NASA의 케플러 미션은 과학자들이 이러한 행성을 찾는데 도움을 주고 있다. 
생명체가 있을만한 행성은 모든 조건이 생명이 유지되는데 "딱 맞아떨어지는" 공전궤도를 유지할 것이기 때문에, 때때로 이 행성은 동화이름을 딴 "골디락스 행성(Goldilocks planets)"이라 불린다.

케플러 망원경과 다른 망원경들은 지금까지 몇몇 행성을 찾아냈다.

이 행성들은 지구보다는 약간 큰 크기를 가지고 있어 슈퍼 지구라고 불린다.

 

지구의 쌍동이 행성이라 할 수 있을만큼 생명가능구간에 존재하는 지구정도 크기의 행성을 찾는 노력이 계속되고 있다.

이러한 노력에서 중요한 점은 특정 별의 어디서부터 어디까지가 생명가능구간인지를 시종일관 정확하게 조사하는데 있다.

 

생명가능구간은 별 주위에 형성되는 구간으로서, 이곳에는 우리가 아는한 생명체의 본질적 재료이기도 한 액체상태의 물이 표면에 존재할 수 있는 지역을 말한다.

지구는 우리별 태양 주변에 형성된 생명가능구간에 위치하고 있다.

 

이 지역을 벗어나면 그 행성은  (비록 위성의 표면 아래 지하는 생명체의 서식이 가능할지 몰라도)생명체에게는 너무나 추운, 꽁꽁 얼어붙은 행성일 것이다.

반면 어느 행성이 별과 생명가능구간 사이에 있다면 이곳은 너무나 뜨겁고 열기가 가득한 세상일 것이다.

 

물론 생명가능구간에 있는 완벽한 골디락스 행성이라도 이것만이 부드러운 피부를 두른 생명체의 서식처가 되기에 필요한 조건은 아니다.

그러나 이러한 조건이 심지어는 미생물이라도, 특정 유형의 생명체가 풍부히 존재할만한 가능성은 될 수 있을 것이다.

 

최근 NASA의 캘리포니아 기술 연구소(the California Institute of Technology)에 있는 외계행성 과학 연구소(the Exoplanet Science Institute )에서 수행된 연구에서는 케플러-69c(Kepler-69c)라 불리는 행성과 생명가능구간을 면밀히 조사한 바 있다.

후속 연구를 통해 이 행성은 지구의 1.7배 크기를 가지고 있는 행성이며, 생명가능구간의 안쪽 모서리 바깥에 위치하고 있으며 이전의 연구에서 획득된 측정치에 의하면 이 행성은 슈퍼 지구보다는 슈퍼 금성에 더 가깝다는 점을 알려주었다.

 

케플러-69c에 대해 아스트로피지컬 저널(the Astrophysical Journal )에 발표된 논문의 주저자인 스테판 케인은,  지구와 닮은 외계행성을 찾는 과정에서 케플러 위성은 이 우주에 금성을 닮은 별이 더 많이 존재한다는 점을 우리에게 알려주고 있다고 말했다.

생명가능구간의 위치를 결정하는데 있어서 첫번째로 반드시 알아야 할 점은 별로부터 얼마나 많은 양의 복사가 방출되고 있느냐이다.

특정 별이 우리 태양보다 더 무겁다면 당연히 더 뜨겁고 폭발적인 복사를 방출하므로 생명가능구간 역시 더 멀리에 형성된다.

마찬가지로 별이 태양보다 더 작고 차값다면 생명가능구간은 우리 태양계의 그것보다 더 작게 형성될 것이다.

 

예를 들어 케플러-62f(Kepler-62f)라 불리는 행성은 자신의 별 주위에 형성된 생명가능구간의 중간 부분을 공전하고 있는데 그 공전 궤도는 태양에 대한 지구의 거리에 비해 훨씬 가까운 거리이다.

지구의 경우 공전궤도를 한 번 일주하는데 365일이 소요됨에 반해 이 행성은 자신의 별을 한 바퀴 공전하는데  267일의 주기를 가지고 있었다.

 

생명가능구간이 어느 정도 거리에 형성되는지를 정확하게 알기 위해서는 화학에도 의존해야 한다.

예를 들어 행성의 대기에 존재하는 분자들은 별빛과 별의 복사로부터 유입된 에너지 중 특정량은 흡수하고 나머지는 다시 반사해낼 것이다.

얼마나 많은 에너지가 흡수되느냐는 그 행성이 청록빛 바다를 가지고 있느냐 화산이 가득한 열기의 세계이냐의 차이를 만들어낼 수 있는 단서가 된다. 

 

팬실베니아 주립 대학의 라비 쿠마르 코파라푸(Ravi kumar Kopparapu)가 이끄는 연구에서는 이러한 화학적 정보 유형을 이용하여 이전에 생각된 생명서식 가능 지역의 위치를 살짝 더 멀리 위치토록 만들었다.

2013년 아스트로피지컬 저널에 발표된 이 연구팀의 논문은  별들로부터 발생하는 총 복사량이 생명가능구간의 위치와 어떻게 연관되는지를 결정하는 오늘날의 최상의 기준이 되고 있다.

 

케인과 그의 동료들은 이러한 정보를 활용하여 케플러-69c 의 생명가능구간의 경계를 좀더 정확하게  측정할 수 있었으며, 이 행성이 별로부터 받고 있는 총 에너지를 주의깊게 측정할 수 있었다.

케인은 별의 속성을 이해하는 것은 행성계의 속성과 생명가능구간의 범위를 계산하는데 있어서 매우 핵심적인 역할을 한다고 말했다.

 

그러나 생명가능구간의 행성에서 부동산을 구입하기 전에 그곳이 푸른 숲이 우거진 아름다운 해변가를 거느린 세계이기 위해서는 또 다른 요소들이 있다는 것을 명심해야 한다. 

예를 들어 플레어라고 불리는 태양 표면의 분출 현상은 행성의 파괴를 야기시킬 수 있다.

프린스턴 대학교의 케플러 과학팀의 일원인 루시안느 발코비치(Lucianne Walkowicz)의 설명은 다음과 같다. 
"생명의 서식가능성에 대해서는 아직 수많은 질문들이 해결되지 않은 채로 남아 있습니다.
만약 행성이 별에서 발생하는 플레어의 복사에 온종일 시달리고 있다면 이 행성의 표면은 생명이 살아가기에 그다지 쾌적한 환경은 되지 못할 것입니다.  

그러나 다른 한편으로 그 행성을 액체 상태의 물이 감싸고 있다면 이는 별의 고에너지 복사에 대한 훌륭한 방어막 역할을 할 것이고, 그래서 그 바다에는 생명이 넘쳐나게 될 가능성이 있습니다."
 
플레어는 또한 행성의 대기를 벗겨내 버릴 수도 있다.

이러한 현상은 특별히 규모가 더 작거나 온도가 더 작은 별에서 실현되는 것인데, 이 별들은 우리 태양과 같은 별들보다 훨씬더 왕성할 활동양상을 보인다. 

 

천문학자들은 생명의 서식가능성이 있는 행성의 대기에 대한 더 많은 것을 알고 싶어할 것이다.

천문학자들은 행성의 분자구성을 관측하여 그 행성이 생명의 거주가 어려운, 금성과 같은 행성임을 암시할만한 탈출하는 온실가스의 흔적을 찾아볼 수도 있을 것이다.

미래의 우주망원경은 산소나 물 이산화탄소나 메탄 - 이들은 누군가가 행성에 거주하고 있음을 의미하는 단서들이다. - 의 흔적을 뽑아낼 수 있을 것이다.

앞으로 발사될 NASA의 제임스 웹 우주망원경은 생명가능구간에 위치하고 있는 행성들의 대기를 탐사함으로써, 우리를 이러한 목표에 더욱더 가깝게 데려가줄 것이다.

케플러 미션에서는 지구만큼이나 작은 행성의 대기를 검사하기는 어려울 것이므로 지구형 행성에서 금성형 행성들을 분리해내기 위해서 우리는 또다른 미래의 망원경을 기다려야 한다.

 

출처 : NASA - Kepler Mission

         http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/news/kepler20130717.html

 

참고 : 외계행성 및 원시행성원반에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
        https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

In the Zone: How Scientists Search for Habitable Planets

There is only one planet we know of, so far, that is drenched with life. That planet is Earth, as you may have guessed, and it has all the right conditions for critters to thrive on its surface. Do other planets beyond our solar system, called exoplanets, also host life forms?

 

Astronomers still don't know the answer, but they search for potentially habitable planets using a handful of criteria. Ideally, they want to find planets just like Earth, since we know without a doubt that life took root here. The hunt is on for planets about the size of Earth that orbit at just the right distance from their star – in a region termed the habitable zone.

 

NASA's Kepler mission is helping scientists in the quest to find these worlds, sometimes called Goldilocks planets after the fairy tale because they orbit where conditions are "just right" for life. Kepler and other telescopes have confirmed a handful so far, all of which are a bit larger than Earth -- the Super Earths. The search for Earth's twin, a habitable-zone planet as small as Earth, is ongoing.

 

An important part of this research is the continuing investigation into exactly where a star's habitable zone starts and stops.

 

The habitable zone is the belt around a star where temperatures are ideal for liquid water -- an essential ingredient for life as we know it -- to pool on a planet's surface. Earth lies within the habitable zone of our star, the sun. Beyond this zone, a planet would probably be too cold and frozen for life (though it's possible life could be buried underneath a moon's surface). A planet lying between a star and the habitable zone would likely be too hot and steamy.

 

That perfect Goldilocks planet within the zone wouldn't necessarily be home to any furry creatures. But it would have the potential for some type of life to abound, if even microbes.

 

In one new study, researchers based at NASA's Exoplanet Science Institute at the California Institute of Technology, in Pasadena, Calif., carefully analyzed the location of both a planet called Kepler-69c and its habitable zone. Their analysis shows that this planet, which is 1.7 times the size of Earth, lies just outside the inner edge of the zone, making it more of a Super Venus than a Super Earth, as previous estimates indicated.

 

on the way to finding Earths, Kepler is telling us a lot about the frequency of Venus-like planets in our galaxy," said Stephen Kane, lead author of the new paper on Kepler-69c appearing in the Astrophysical Journal Letters.

 

To determine the location of a star’s habitable zone, one must first learn how much total radiation it emits. Stars more massive than our sun are hotter, and blaze with radiation, so their habitable zones are farther out. Similarly, stars that are smaller and cooler sport tighter belts of habitability than our sun. For example, the Super Earth planet called Kepler-62f, discovered by Kepler to orbit in the middle of a habitable zone around a cool star, orbits closer to its star than Earth. The planet takes just 267 days to complete an orbit, as compared to 365 days for Earth.

 

Knowing precisely how far away a habitable zone needs to be from a star also depends on chemistry. For example, molecules in a planet's atmosphere will absorb a certain amount of energy from starlight and radiate the rest back out. How much of this energy is trapped can mean the difference between a turquoise sea and erupting volcanoes.

 

Researchers led by Ravi kumar Kopparapu of Penn State University, University Park, Pa., used this type of chemical information to nudge the habitable zone out a bit farther than previously thought. The team's 2013 Astrophysical Journal study is the current gold standard in determining how a star's total radiation output relates to the location of its habitable zone. Kane and his colleagues used this information to fine-tune the boundaries of Kepler-69c's habitable zone, in addition to careful measurements of the star's total energy output and the orbit of the planet.

 

"Understanding the properties of the star is critical to determining planetary properties and calculating the extent of the habitable zone in that system," said Kane.

 

But before you purchase real estate in a habitable zone, keep in mind there are other factors that dictate whether a world develops lush greenery and beaches. Eruptions from the surfaces of stars called flares, for example, can wreak havoc on planets.

 

"There are a lot of unanswered questions about habitability," said Lucianne Walkowicz, a Kepler science team member based at Princeton University, N.J., who studies flaring stars. "If the planet gets zapped with radiation all the time by flares from its parent star, the surface might not be a very pleasant place to live. But on the other hand, if there's liquid water around, that makes a really good shield from high-energy radiation, so maybe life could thrive in the oceans."

 

Flares can also scrape off the atmospheres of planets, complicating the picture further. This is particularly true for the smaller, cooler stars, which tend to be more hyperactive than stars like our sun.

 

Ideally, astronomers would like to know more about the atmosphere of potentially habitable planets. That way they could look at the planet's molecular makeup for signs of runaway greenhouse gases that could indicate an inhospitable Venus-like planet. Or, future space telescopes might even be able to pick up signatures of oxygen, water, carbon dioxide and methane -- indicators that the planet might be somebody's home.

 

NASA's upcoming James Webb Space Telescope will bring us closer to this goal, by probing the atmospheres of planets, some of which may lie in habitable zones. The mission won't be able to examine the atmospheres of planets as small as Earth, so we'll have to wait for another future telescope to separate out the Venuses from the Earths.

 

NASA Ames manages Kepler's ground system development, mission operations and science data analysis. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif., managed Kepler mission development. Ball Aerospace & Technologies Corp. in Boulder, Colo., developed the Kepler flight system and supports mission operations with JPL at the Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado in Boulder. The Space Telescope Science Institute in Baltimore archives, hosts and distributes the Kepler science data. Kepler is NASA's 10th Discovery Mission and is funded by NASA's Science Mission Directorate at the agency's headquarters in Washington.

 

More information about the Kepler mission is at http://www.nasa.gov/kepler .

 

More information about exoplanets and NASA's planet-finding program is at http://planetquest.jpl.nasa.gov .

 

 

Whitney Clavin 818-354-4673
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
whitney.clavin@jpl.nasa.gov

Michele Johnson 650-604-4789

Ames Research Center, Moffett Field, Calif. 

michele.johnson@nasa.gov 

2013-223