분광유형 K : 외계 생명체를 찾을 수 있는 최적의 장소를 제공하는 골디락스 별들

2020. 2. 3. 17:403. 천문뉴스/허블사이트

CREDITS:NASA, ESA, and Z. Levy (STScI)

 

표 1> 이 도표는 미리내에 존재하는 3개 유형 별들의 특징을 비교하여 보여주고 있다. 

태양과 같은 별은 G유형의 별로 구분된다. 

이보다 질량도 상대적으로 적고 온도도 상대적으로 적은 별들은 K유형의 난쟁이별이다. 

그리고 이보다도 희미하고 온도가 낮은 별은 붉은 색의 M유형 난쟁이별이다. 

각각의 별들은 몇몇 중요 항목으로 구분하여 비교되고 있다. 

우선 행성에 생명체가 있을만한 가능성이 있는 '생명체서식가능구역(The habitable zone)'은 별이 뜨거울수록 더 넓게 존재한다. 

별의 수명에 있어서 M유형의 적색난쟁이별의 수명은 1천 억년을 훨씬 상회한다. 

K유형 난쟁이별들의 수명 역시 150억 년에서 450억 년에 이르고 있다. 

이에 반해 우리 태양의 수명은 100억 년 밖에 되지 않는다. 

우리가 아는 한 생명체에게 치명적인 수준으로 뿜어내는 복사선의 상대적인 양은 M유형 난쟁이별이 태양보다 80~500배 더 높은 수준이다. 

이에 반해 K유형 난쟁이별의 경우는 5~25배 수준이다. 

적색난쟁이별이 미리내에서 차지하는 비중은 무려 73%에 달한다. 

이에 반해 태양과 같은 별은 6%가 되지 않으며, K유형의 난쟁이별은 약 13%이다. 

이 네 가지 변수가 적절하게 조화되어 고등생명체가 형성되고 유지될 가능성이 가장 높은 유형의 별은 K유형의 난쟁이별이다. 

 

천문학자들은 태양계 너머 우주의 생명체서식가능구역에 있는 행성을 찾고 있다. 

'생명체서식가능구역'은 '골디락스존(Goldilocks zone)'이라는 별칭으로 불리기도 한다. 

이 구역은 우리가 아는 한 생명체의 자양분이 되는 액체 상태의 물을 행성 표면에 보유할 수 있는 적절한 온도를 유지하는 구역을 말한다. 

 

30여년에 이르는 오랜 동안의 관측을 통해 제기된 새로운 아이디어는 바로 골디락스 별(Goldilocks stars)에 관한 것이다. 

이 별은 너무 뜨겁지도 않고, 너무 차갑지도 않고 무엇보다도 생명체에게 유리한 환경의 행성들을 보유할만큼 그렇게 파괴적인 활동을 하지 않는 별을 말한다. 

생명을 보듬고 있는 지구를 가진 우리 태양의 나이는 거의 40억 살이다. 

그래서 일반적인 생각에 따르면 우리 태양과 같은 별이야말로 생명체가 살 수 있을만한 세계를 찾는데 있어 최적의 후보가 될 수 있을 것이다. 

 

펜실베니아 빌라노바 대학, 에드워드 귀넌(Edward Guinan)은 우리 태양보다 약간 온도가 낮고 약간 밝기가 낮은, K형 난쟁이별로 분류되는 별들이 진정한 '골디락스 별'일 수 있다고 하며 다음과 같이 말했다. 

"분광유형 K의 난쟁이별들은 태양처럼 조금은 더 드물고, 광도는 더 밝고, 수명도 더 짧은 G유형의 별들과 이보다 수가 훨씬 많은 M유형의 적색난쟁이별 사이의 중간적 속성을 가진 '달콤한 점'이라 할 수 있습니다. 

K유형의 별들은 비교적 따뜻한 모든 세계들 중 최상의 세계를 가지고 있죠. 

만약 생명체가 살 수 있을만한 행성을 찾는다면 K유형의 별들이 그 가능성을 높여줄 수 있을겁니다."

  

우선 우리 은하 미리내에는 K유형의 난쟁이별들이 우리 태양과 같은 별보다 세 배나 더 많다. 

또한 100 광년 안에 K유형의 별은 약 1,000개가 있다. 이들 모두는 생명체가 서식 가능한 외계행성을 찾는데 첫 번째 후보들이라 할 수 있다. 

이른바 주황색난쟁이별(orange dwarfs)이라 불리는 이 별들은 약 150억년에서 450억년 정도의 수명을 가지고 있다. 

이에 비해 우리 태양과 같은 별의 수명은 약 100억년이며 태양의 경우 이미 수명의 반을 소진한 상태이다. 

 

태양은 비교적 빠르게 진행되는 진화로 인해 불과 1~20억 년 사이에 생명체 서식이 어려운 행성이 될 것이다. 

귀넌은 우리 태양과 같은 유형의 별들은 행성의 대기가 안정된 상태로 오랫동안 유지되기에는 한계를 가지고 있다고 말했다. 

약 10억년 정도 상관에 지구의 공전궤도는 생명체서식가능구역에서 안쪽 모서리에 해당하는 좀 더 뜨거운 곳에 다다르게 될 것이다. 

태양이 점점 뜨거워지고 점점 밝아지고 있기 때문에 생명체서식가능구역이 점점 바깥쪽으로 이동하기 때문이다. 

그 결과 지구는 대기와 대양을 잃고 점점 건조한 행성이 될 것이다. 

태양은 90억 살이 되면 적색거성으로 부풀어오르게 되고 이렇게 되면 지구를 집어삼킬 가능성도 있다. 

 

M유형의 난쟁이별로 알려져 있는 적색난쟁이별들은 크기는 작지만 훨씬 더 많이 존재하며 수명도 태양보다 훨씬 길다. 

그리고 우리가 아는 한에 있어서는 생명체를 보듬을 수도 있을 것으로 보인다.

그러나 적색난쟁이별의 생명체서식가능구역은 상대적으로 좁다. 

그래서 이 구역에 있는 행성은 자신의 별에 훨씬 더 가까이 있게 되고 그 결과 지구가 태양으로부터 받는 것보다 수십만 배 더 강력한 X선 및 자외선 복사에 노출된다. 

플레어나 코로나질량분출 등 가차없는 활동들은 부글부글 들끓는 플라즈마를 행성으로 쏟아붓고 행성은 고에너지 입자의 폭격을 받게된다. 

따라서 적색난쟁이별의 생명체서식가능구역에 있는 행성들은 바짝 말라버린 상태일 수 있고 이미 초기부터 대기가 모두 벗겨져 버린 상태일 수 있다. 

이러한 상황은 적색난쟁이별들의 분출활동이 잦아든 후에도 수십 억년 동안 행성들이 좀더 생명체에게 친화적인 환경으로 진화해 나가는데 방해요소가 될 수 있다.

따라서 귀넌은 M유형의 별들 주위에서 고등 생명체를 찾을 수 있는 기회가 있을 거라고는 생각하지 않는다고 말했다. 

 

K유형의 난쟁이별들은 강력한 X선과 자외선 복사 및 에너지 분출을 만드는 강력한 활동성 자기장을 가지고 있지 않다. 

귀넌의 연구에 따르면 이들의 플레어 분출은 빈도가 훨씬 낮다. 

K유형의 별들이 거느리고 있는 행성은 자기적으로 활성 상태인 M유형의 별들이 거느리고 있는 생명체서식 가능구역에 있는 행성들과 비교할 때 100분의 1에 해당하는 적은 양의 X선 복사를 받는다. 

 

귀넌과 빌라노바 대학의 동료 스콧 엥글(Scott Engle) 및 학부생들은 대부분 온도가 낮은 G유형 및 K유형의 별들을 대상으로 별의 나이와 자전비율, X선과 원적외선 복사를 측정하는 "GoldiloKs" 프로그램을 진행하고 있다.  

이들은 연구를 위해 허블우주망원경과 찬드라X선망원경, 유럽우주국의 XMM-뉴턴 위성을 활용하고 있다. 

수소 복사를 감지할 수 있는 허블우주망원경의 감도높은 자외선관측능력은 약 20여개의 주황색난쟁이별들의 복사를 측정하는데 사용되었다. 

귀넌은 허블우주망원경이야말로 이러한 종류의 관측이 가능한 유일한 망원경이라고 말했다. 

 

귀넌과 앵글은 주황색난쟁이별의 복사량이 적색난쟁이별 주위에서 발견되는 그 어떤 행성들보다 훨씬 온화한 수준임을 알 수 있었다고 말했다. 

K유형의 별들은 수명도 더 길다. 

그래서 생명체서식가능구역의 이동도 훨씬 더 천천히 진행된다. 

따라서 K유형의 난쟁이별들은 생명체를 찾는데 최적의 장소처럼 보인다. 

또한 이 별들은 행성에서 생명체가 고등생물로 진화해 나가기 충분한 시간을 보장해 줄 것이다. 

태양의 전체 수명에 맞먹는 100억 년의 시간 동안 K유형의 별은 그저 밝기가 10~15%정도 증가할 뿐이다.

따라서 고등 생명체로 진화해 나갈 수 있는 시간의 폭은 지구보다 훨씬 넉넉하게 주어진다.  

 

귀넌과 앵글은 케플러 442(Kepler-442), 고래자리 타우별(Tau Ceti), 에리다누스강자리 엡실론별(Epsilon Eridani)을 포함하여 행성을 보유하고 있는 K유형의 별들을 살펴보았다. 

(고래자리 타우별과 에리다누스강자리 엡실론별은 일찌기 1950년대 후반 오즈마 프로젝트(Project Ozma)의 대상이기도 했다. 

이 프로젝트는 외계문명체에서 라디오파를 감지하려고 시도했던 첫번째 프로젝트였다. )

귀넌의 설명은 다음과같다.

"분광유형 K5에 속하는 케플러 442는 최적의 골디락스 행성 중 하나인 케플러 442b(Kepler-442b)를 가지고 있어 특히 주목을 끕니다. 

암석질 행성인 케플러 442b의 질량은 지구 질량의 두 배가 약간 넘습니다. 

따라서 케플러 442는 골디락스 행성을 가지고 있는 골디락스 별인 셈입니다."

 

지난 30년 동안 귀넌과 앵글, 그리고 이들이 가르쳤던 학생들은 다양한 유형의 별들을 관측했다. 

과학자들은 이들의 학습을 기반으로 별들의 나이, 자전율, X선 및 자외선 복사와 플레어 활동 간의 연관관계를 측정하였다. 

이 데이터들은 행성대기와 가설 상의 생명체에게 고에너지 복사가 미치는 영향을 연구하는데 사용되고 있다. 

 

이번 연구 결과는 하와이 호눌룰루에서 열린 제 235차 전미천문학회에서 발표되었다. 

 

출처 : 허블사이트 2020년 1월 8일 발표 뉴스

        https://hubblesite.org/contents/news-releases/2020/news-2020-06

 

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

 

원문>

GOLDILOCKS STARS ARE BEST PLACES TO LOOK FOR LIFE

 

In the search for life beyond Earth, astronomers look for planets in a star's "habitable zone" — sometimes nicknamed the "Goldilocks zone" — where temperatures are just right for liquid water to exist on a planet's surface to nurture life as we know it.

An emerging idea, bolstered by a three-decade-long set of stellar surveys, is that there are "Goldilocks stars" — not too hot, not too cool, and above all, not too violent to host life-friendly planets.

Because our Sun has nurtured life on Earth for nearly 4 billion years, conventional wisdom would suggest that stars like it would be prime candidates in the search for other potentially habitable worlds. In reality, stars slightly cooler and less luminous than our Sun, classified as K dwarfs, are the true "Goldilocks stars," said Edward Guinan of Villanova University, Villanova, Pennsylvania. "K-dwarf stars are in the 'sweet spot,' with properties intermediate between the rarer, more luminous, but shorter-lived solar-type stars (G stars) and the more numerous red dwarf stars (M stars). The K stars, especially the warmer ones, have the best of all worlds. If you are looking for planets with habitability, the abundance of K stars pump up your chances of finding life."

For starters, there are three times as many K dwarfs in our galaxy as stars like our Sun. Roughly 1,000 K stars lie within 100 light-years of our Sun as prime candidates for exploration. These so-called orange dwarfs live from 15 billion to 45 billion years. By contrast, our Sun, now already halfway through its lifetime, lasts for only 10 billion years. Its comparatively rapid rate of stellar evolution will leave the Earth largely uninhabitable in just another 1 or 2 billion years. "Solar-type stars limit how long a planet's atmosphere can remain stable," Guinan said. That's because a billion or so years from now, Earth will orbit inside the hotter (inner) edge of the Sun's habitable zone, which moves outward as the Sun grows warmer and brighter. As a result, the Earth will be desiccated as it loses its present atmosphere and oceans. By an age of 9 billion years the Sun will have swelled up to become a red giant that could engulf the Earth.

Despite their small size, the even more abundant red dwarf stars, also known as M dwarf stars, have even longer lifetimes and appear to be hostile to life as we know it. Planets that are located in a red dwarf's comparatively narrow habitable zone, which is very close to the star, are exposed to extreme levels of X-ray and ultraviolet (UV) radiation, which can be up to hundreds of thousands of times more intense than what Earth receives from the Sun. A relentless fireworks show of flares and coronal mass ejections bombard planets with a dragon's breath of seething plasma and showers of penetrating high-energy particles. Red dwarf habitable-zone planets can be baked bone dry and have their atmospheres stripped away very early in their lives. This could likely prohibit the planets from evolving to be more hospitable a few billion years after red dwarf outbursts have subsided. "We're not so optimistic anymore about the chances of finding advanced life around many M stars," Guinan said.

The K dwarfs do not have intensely active magnetic fields that power strong X-ray and UV emissions and energetic outbursts, and therefore they shoot off flares much less frequently, based on Guinan's research. Accompanying planets would get about 1/100th as much deadly X-ray radiation as those orbiting the close-in habitable zones of magnetically-active M stars.

In a program called the "GoldiloKs" Project, Guinan and his Villanova colleague Scott Engle, are working with undergraduate students to measure the age, rotation rate, and X-ray and far-ultraviolet radiation in a sampling of mostly cool G and K stars.They are using NASA's Hubble Space Telescope, Chandra X-ray Observatory, and the European Space Agency's XMM-Newton satellite for their observations. Hubble's sensitive ultraviolet-light observations of radiation from hydrogen were used to assess the radiation from a sample of about 20 orange dwarfs. "Hubble is the only telescope that can do this kind of observation," Guinan said.

Guinan and Engle found that the levels of radiation were much more benign to any accompanying planets than those found around red dwarfs. K stars also have longer lifetimes and therefore slower migration of the habitable zone. Therefore, K dwarfs seem like the ideal place to go looking for life, and these stars would allow time for highly evolved life to develop on planets. Over the Sun's entire lifetime — 10 billion years — K stars only increase their brightness by about 10-15%, giving biological evolution a much longer timespan to evolve advanced life forms than on Earth.

Guinan and Engle looked at some of the more interesting K stars hosting planets, including Kepler-442, Tau Ceti, and Epsilon Eridani. (The latter two were early targets of the late 1950s Project Ozma — the first attempt to detect radio transmissions from extraterrestrial civilizations.)

"Kepler-442 is noteworthy in that this star (spectral classification, K5) hosts what is considered one of the best Goldilocks planets, Kepler-442b, a rocky planet that is a little more than twice Earth's mass. So the Kepler-442 system is a Goldilocks planet hosted by a Goldilocks star!" said Guinan.

Over the last 30 years Guinan and Engle and their students have observed a variety of stellar types. Based on their studies, the researchers have determined relationships among stellar age, rotation rate, X-ray-UV emissions and flare activity. These data have been utilized to investigate the effects of high-energy radiation on planet atmospheres and possible life.

The results are being presented at the 235th meeting of the American Astronomical Society in Honolulu, Hawaii.

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA (European Space Agency). NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C.