외계 행성계와 생명체

다른 별 둘레를 도는 행성은 별보다 수십억 배 어둡고, 별에 바짝 붙어 있어 망원경으로 직접 보기가 거의 불가능하다. 그런데도 지금까지 5천 개가 넘는 외계 행성이 발견되었다. 보이지도 않는 행성을 어떻게 찾았을까? 그리고 찾은 행성 가운데 생명이 살 만한 곳은 어떻게 가려낼까?

행성 반지름 (지구 반지름)

별 반지름 (태양 반지름)

1.5.1행성을 찾는 방법

행성이 우리 시선 방향에서 별 앞을 지나가면 별빛의 일부를 가려 밝기가 조금 줄어든다. 이를 통과법이라 한다. 같은 감소가 일정한 간격으로 되풀이되면 행성이 돌고 있다는 증거이고, 그 간격이 공전 주기이다. 또 행성과 별은 공통 질량 중심을 함께 돌므로 별이 조금씩 흔들린다. 별이 다가오고 멀어질 때 별빛의 파장이 도플러 효과로 짧아지고 길어지는 것을 재는 방법을 시선 속도법이라 한다.

그림 1에서 행성 반지름을 바꾸어 보자. 목성 크기(약 11배)이면 태양 같은 별의 밝기가 약 1% 줄지만, 지구 크기이면 0.0084%, 곧 1만 분의 1도 안 된다. 그래서 지구 같은 행성을 찾으려면 대기의 흔들림이 없는 우주 망원경으로 별의 밝기를 아주 정밀하게 재야 한다. 케플러 우주 망원경과 TESS가 이렇게 수천 개의 행성을 찾았다.¹

1.5.2생명 가능 지대

생명이 살려면 표면에 액체 물이 있어야 한다고 본다. 별에서 너무 가까우면 물이 끓고, 너무 멀면 언다. 액체 물이 있을 수 있는 거리의 범위를 생명 가능 지대라 한다. 밝은 별일수록 생명 가능 지대가 멀고 넓으며, 어두운 적색 왜성은 아주 가깝고 좁다. 행성의 크기, 대기, 별의 활동성도 함께 따져야 하므로, 생명 가능 지대에 있다는 것은 생명의 필요조건 하나를 갖춘 것일 뿐이다.

1.5.3예제 풀이

\(\left(\dfrac{R_p}{R_s}\right)^2 = 0.004\)이므로 \(\dfrac{R_p}{R_s} \approx 0.063\)이다. \(R_s = 0.5 \times 109 \approx 55\)배 지구 반지름이므로 \(R_p \approx 0.063 \times 55 \approx 3.5\)배이다. 지구보다 크고 해왕성보다 작은 행성이다.

케플러 제3법칙 \(a^3 = MT^2\)(AU, 태양 질량, 년)에서 \(T = \dfrac{4.4}{365} \approx 0.012\)년이므로 \(a^3 = 0.4 \times 0.012^2 \approx 5.8 \times 10^{-5}\), 곧 \(a \approx 0.039\) AU이다. 수성 궤도의 10분의 1 거리이다. 이 별이 태양보다 어둡더라도 이 거리면 너무 뜨거워 생명 가능 지대 안쪽일 가능성이 크다. 즉 통과 자료만으로 행성의 크기와 거리를 알고, 생명이 살 만한지 첫 판단을 할 수 있다.

아래 탐구 카드에서 보이지 않는 외계 행성을 찾는 방법과, 생명이 살 만한지 가늠하는 기준을 직접 적용해 보자.

1. 통과가 일어나는 동안 행성의 대기를 지나온 별빛을 분석하면, 대기 속 기체가 흡수한 파장이 보인다. 제임스 웹 우주 망원경은 이렇게 외계 행성 대기의 수증기와 이산화 탄소를 찾아냈다.