[사이언스] 수십억 년 전 지구와 비슷한 행성을 발견했다?

[비즈한국] 봄이 지나고 여름이 오는 요즘, 밤하늘에는 사자자리가 떠 있다. 그저 평범한 별자리처럼 보이지만 오늘밤 이후로는 전혀 다르게 보일지 모른다. 최근 이곳에서 외계 생명체의 가장 확실한 증거로 의심되는 신호가 발견됐기 때문이다. 우리가 아는 한, 적어도 지구에서는 생명 활동이 아니고서는 절대 설명할 수 없는 성분 두 가지가 매우 강하게 검출됐다. 우리가 알지 못하는 전혀 다른 방식의 화학적 반응이 벌어지고 있는 게 아니라면, 매우 높은 확률로 이곳에 정말 외계 생명체들의 ‘꿍꿍이’가 벌어지고 있다는 뜻일 수 있다.

아쉽게도 이번 논문에서까지는 과학에서 이야기하는 ‘빼박’의 기준 5시그마를 넘지는 못했지만, 이번 분석에 따르면 그 신호는 3시그마를 넘는다. 이것은 이 신호가 단순한 우연이나 통계적 오류일 가능성이 1000분의 1밖에 안 된다는 것을 의미한다. 물론 5시그마에 미치지 못했기에 섣불리 이야기하기는 어렵지만, 충분히 흥미로운 결과다. 과연 이곳에서 검출된 신호는 무엇을 의미할까? 정말 우리는 그토록 기다린 외계 생명체의 존재를 확인할 수 있게 될까?

2009년 우주로 올라간 케플러 우주 망원경, 그 뒤를 잇고 있는 TESS 덕분에 우리는 벌써 1만 개 넘는 외계행성과 그 후보를 파악하고 있다. 외계 행성에 생명체가 살기 위해서는 우선 지나치게 덥지도 춥지도 않은 적당한 온도가 필요하다. 그러기 위해선 중심 별에서 적절한 거리를 두고 떨어진 궤도, 즉 골디락스 존에 있어야 한다. 지금까지 알려진 외계행성 중에서 단 1%만이 이 까다로운 첫 번째 시험을 통과했다.

최근 논란이 되고 있는 K2-18b도 그 중 하나다. 사자자리 방향으로 124광년 떨어진 별 곁에서 발견된 행성이다. K2는 케플러의 두 번째 미션 중에 발견되었다는 뜻이다. 원래 케플러는 백조자리 부근의 특정한 한 방향만 겨냥했지만 2013년 자세를 제어하는 휠 중 두 개가 고장 나면서 새로운 전략을 짤 수밖에 없었다. 결국 천문학자들은 태양풍을 활용해 망원경의 자세를 고정시키는 참신한 전략을 시도했고, 그 과정에서 케플러는 원래 바라보던 백조자리 쪽을 벗어나 여러 방향을 훑어보는 K2 미션을 진행하게 되었다. 그 과정에서 사자자리 방향에서 이 행성을 발견했다.

K2-18 별은 태양 질량의 49.5%, 거의 절반 수준의 질량을 갖고 있는 훨씬 작고 왜소한 별이다. 그래서 별 자체는 태양에 비해 훨씬 미지근하다. 더 붉은 적외선 빛을 많이 방출하는 적색왜성이다. 케플러는 별 곁에 행성이 맴돌면서, 주기적으로 별 앞을 가리고 지나갈 때마다 별빛의 밝기가 미세하게 어두워지는 트랜짓 현상으로 행성을 사냥했다. K2-18b도 이 방법으로 발견됐다. 이 행성의 공전 주기는 약 33일, 한 달 정도다. 즉 이 행성이 중심 별을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간을 이 행성에서의 1년으로 정의한다면, 1년이 겨우 33일밖에 안 된다는 뜻이다. 지구에서는 우리가 떡국을 한 번 먹는 동안, 이곳에서는 열 번은 먹어야 할 것이다.

사실 K2-18b 행성은 이전에도 조금 다른 측면에서 천문학자들 사이에서 논란이 되었다. 이 행성의 질량은 지구의 약 8.6배, 지름은 2.6배 수준이다. 그리고 행성의 밀도는 순수하게 암석으로만 이루어진 행성에 비해서는 가볍다. 따라서 행성이 통째로 암석으로 이루어진 것 같지는 않다. 이를 설명할 수 있는 유력한 모델은 크게 세 가지다. 첫 번째는 미니 해왕성일 가능성이다. 해왕성에 비해서는 크기가 조금 작지만, 중심에 암석 핵이 있고 그 주변을 강한 압력으로 압축된 얼음 층이 둘러싸고 있을 수 있다. 두 번째로, 암석 핵 주변에 얼음 없이 전부 수소로 채워진 두꺼운 대기를 두르고 있을 가능성도 있다. 마지막으로 조금 특별한 가능성이 있는데, 암석 핵을 거대한 물바다가 에워싸고 그 위에 얇은 수소 대기가 덮여 있는 경우다. 물만으로 채워진 맨틀처럼 생각할 수 있다. 얇은 수소 대기와 바다로 이루어진 이러한 행성을 하이션 행성이라고 부른다.

당시까지만 해도 하이션 행성은 수많은 가설 중 하나였을 뿐, 실제 존재가 확인된 적은 없었다. 그렇다면 K2-18b가 어떤 세계일지 어떻게 알 수 있을까? 천문학자들은 각 시나리오에 따라 행성의 대기에서 검출되는 화학 성분에 큰 차이가 생겨야 한다는 사실을 알아냈다. 만약 바다 없이 두꺼운 수소 대기만으로 이루어진 세계라면, 그 대기 성분은 해왕성과 비슷해야 한다. 메테인과 암모니아가 풍부하고, 일산화탄소까지도 매우 많이 검출될 수 있다. 반면 행성 전체가 바다로 덮여있다면 큰 차이가 생긴다. 물은 이런 화학 성분을 효과적으로 녹이기 때문에 대기 화학 조성도 크게 달라진다. 특히 대기 중 암모니아와 일산화탄소는 사라지고, 메테인과 이산화탄소는 많이 검출되어야 한다.

그리고 작년 제임스 웹 관측에서 정확하게 이 모델에 부합하는 신호가 확인되었다. 이를 통해 천문학자들은 K2-18b가 표면 전체가 바다로 덮인 채 얇은 수소 대기가 에워싼 전설 속의 하이션 행성일 거라는 결론에 이르렀다.

행성 전체가 바다라니, 연구진은 여기에 한 발짝 더 나아갔다. 그렇다면 바다에서 살아가는 플랑크톤 같은 생태계가 존재하지 않을까? 외계행성에 정말 생명체가 있는지를 확인하는 가장 확실한 방법은, 직접 가서 인증샷을 찍는 것이다. 하지만 너무 멀어서 이건 불가능하다. 우리가 할 수 있는 건 단지 지구에 앉아 멀리서 흐릿하게 보이는 외계행성의 빛을 분석해 그 안에 생명의 증거가 숨어 있는지를 확인하는 것뿐이다.

천문학자들이 가장 흔하게 시도하는 방식은 외계 행성의 대기권, 하늘에 어떤 화학 성분이 존재하는지 확인하는 것이다. 실제로 그동안 이 방법을 통해 제임스 웹은 여러 외계행성의 대기권에서 뚜렷한 산소, 이산화탄소, 수증기의 존재를 확인했다. 하지만 이것만으로는 부족하다. 사실 산소, 이산화탄소, 수증기는 우주 공간에서도 꽤 흔한 성분이기 때문이다. 모두 생명 활동에 주요한 재료로 쓰이기는 하지만, 이러한 성분이 존재한다고 해서 100% 그곳에 생명체가 존재한다고 확신할 수는 없다. 하지만 생명 활동이 아니고서는 절대 설명할 수 없는 성분을 확인한다면 이야기는 달라진다. 그리고 천문학자들은 K2-18b에서 바로 그러한 성분을 찾는 시도를 한 것이다.

작년 천문학자들은 제임스 웹의 NIRSpec과 같은 적외선 스펙트럼 분석 장비를 활용해 화학 성분을 분석했다. 이 장비는 0.6에서 5.3μm 범위에서 스펙트럼 분석을 할 수 있다. 이를 통해 당시 연구에서는 디메틸설파이드(DMS)라는 화학 성분의 신호를 감지했다고 주장했다. 이것은 식물성 플랑크톤이 생명 활동을 통해 만들어내는 대표적인 성분이다. 행성 전체가 바다로 채워진 외계행성에서 플랑크톤이 만드는 주요한 성분이 검출되다니! 이게 사실이라면 외계 플랑크톤을 발견한 게 아닐까 기대할 수 있다.

하지만 작년 분석에서 이 신호의 유의성은 겨우 2.4시그마 수준이었다. 통계적으로 우연일 가능성이 60분의 1 정도는 된다는 뜻이다. 5시그마 기준에 한참 못 미치는 불확실한 신호였다. 또 스펙트럼을 어떤 방식으로 분석하는지에 따라 결과도 많이 달라졌기 때문에, 여전히 많은 의문을 남기는 결과였다.

결국 연구진은 제임스 웹의 다른 장비로 추가 관측을 진행했다. 그것이 이번에 발표한 결과다. 이번 관측에서는 훨씬 더 파장이 긴 중적외선 스펙트럼을 관측하는 MIRI 장비로 6~12μm 범위의 관측을 진행했다. 그 결과, 이번에는 DMS뿐 아니라, 디메틸디설파이드(DMDS)까지 더 선명하게 검출되었다. 두 분자 모두 지구의 생명 활동과 매우 연관이 깊다. DMS는 바다 미생물, 플랑크톤에서 만들어진다. DMDS는 더 다양한데 박테리아, 곰팡이, 동식물 등 다양한 생명체가 만든다. DMDS는 마늘 향을 내는 분자로, 식품 향료에도 쓰인다.

이번 추가 관측에 따르면 그 신호의 유의성은 3시그마 수준에 이른다. 확실히 작년의 분석에 비해 더 뚜렷하지만, 한계도 있다. 제임스 웹의 관측 영역에서 DMS와 DMDS 모두 스펙트럼에 남기는 특징이 매우 비슷하다. 그래서 정확히 둘의 함량이 얼마나 되는지를 정량적으로 딱 구분 지어서 이야기하는 건 어렵다.

이번 발견에서 특히 놀라운 건 두 분자의 함량이 너무나 높게 나왔다는 것이다. 지구에서도 생명 활동을 통해 DMS가 존재하기는 하지만, 매우 불안정해서 금방 빠르게 분해되어 사라진다. 그래서 지구 대기에서 DMS 농도는 그리 높지 않다. 그런데 이번 논문을 보면, K2-18b의 대기에서는 지구보다 무려 수천 배나 더 높은 수준으로 DMS가 검출되었다. DMS가 금방 금방 사라지는, 반응성이 매우 큰 성분이라는 걸 감안하면 K2-18b 행성에서 무언가 계속 쉬지 않고 추가로 DMS를 채우는 메커니즘이 작동하고 있을 거라 생각해야 한다.

다만 지구에 비해 수천 배나 높은 수준의 DMS를 유지하려면 이 행성의 바다에서는 플랑크톤이 폭발적으로 번식하면서 가득 살고 있어야 할 것이다. 아주 먼 우주에서 또 다른 외계인 천문학자가 우리 지구와 K2-18b 행성 두 곳을 모두 관측하고 있다면, 아마 그가 보기에는 오히려 우리 지구보다 K2-18b가 생명체 존재 가능성이 훨씬 높고 확실한, 가장 유력한 곳으로 보일 수도 있겠다. 그에 비해 지구는 수천 배나 약한 신호가 미미하게 나오고 있으니, 생명체가 없는 곳이라고 오해할지도 모른다.

앞선 첫 번째 관측에 이어 이번 두 번째 관측을 통해, 신호의 유의성이 3시그마까지 올라왔다는 건 매우 흥미롭다. 하지만 아직은 100% 확신할 수는 없다. 결국 5시그마를 넘기는 더 강력한 신호가 확인되어야 비로소 모두의 인정을 받을 수 있다. 이를 위해서 연구진은 다시 제임스 웹의 시간을 빌릴 계획이다. MIRI를 통해 중적외선 영역에서 최소 1~3번 더, 거의 하루 넘는 추가 시간 동안 관측을 진행해야 한다.

물론 이번 발견에 회의적인 시선도 없지 않다. 일부 천문학자들은 앞서, 혜성이나 성간 먼지 속에서도 DMS가 검출되었다는 결과를 든다. 이것은 DMS가 지구에서처럼 미생물을 필요로 하는 복잡한 생명 활동을 통해서만 만들어질 수 있다는 기존의 관점을 크게 벗어난다. 확실히 혜성이나 먼지 구름 같은 곳에서는 생명 활동을 기대하기 어렵기 때문이다.

하지만 이러한 비판에 대해 연구진은 혜성 표면, 먼지 구름은 애초에 바다 행성과 환경이 다르기 때문에 공평한 비교 대상이 될 수 없다고 밝혔다. 혜성 표면, 성간 먼지 구름은 강렬한 자외선, 우주 방사선에 그대로 노출된 환경이기 때문에 더 극단적인 고에너지 빛에 노출될 수 있고, 외계 행성의 바다에서와는 전혀 다른 비생물학적 화학 반응이 벌어질 가능성이 있다. 그에 비해 지구보다 훨씬 중력이 강하고, 수소 대기로 덮인 바다 행성이라면 이런 극단적인 화학 반응을 기대하기는 어려울 수도 있다. 차라리 외계 플랑크톤의 활동으로 DMS가 채워진다고 보는 게 더 합리적일 수 있다는 게 이번 연구진의 주장이다.

또 일각에서는 애초에 이 외계행성이 중심에 거느리고 있는 별 자체가 태양보다 작고 왜소한 것이 문제일 수 있다고 지적한다. 이런 왜소한 별 곁에서 적당한 별빛을 받기 위해 행성은 별에 더 바짝 붙어있어야 한다. 이 행성의 공전 주기가 겨우 33일 밖에 안 되는 것도 그 때문이다. 그런데 이렇게 되면 별에 너무 가까워서, 별 표면에서 폭발하는 플레어의 위험에 노출될 가능성이 높다. 특히 질량이 작은 별은 더 난폭하고 요란하게 진화하기 때문에 더욱 위험하다. 결국 플레어 한 방이면 행성의 대기권은 금방 벗겨질 수도 있기 때문에 오히려 생명이 살기 어려울 수 있다. 하지만 이에 대해 연구진은 이미 여러 번의 관측을 통해, 이 행성은 그 까다로운 환경에서도 살아남아 적당한 수소 대기로 덮인 바다 행성, 하이션 행성이라는 사실이 검증되었다고 주장했다.

현재까지 결과만 놓고 보면, K2-18b는 중심 별에서 적당한 거리 골디락스 존에 있고, 행성 전체가 바다로 덮인 것으로 보인다. 그리고 심지어 대기 중에서 아주 높은 함량의 DMS, DMDS가 검출되었다. 우리가 아는 한 현재까지 이 분자를 만드는 방식은 미생물의 생명 활동뿐이다. 재밌는 점은 정작 이 외계행성에서 산소가 검출되지 않았다는 점인데, 오히려 이것은 이 외계행성의 상태가 수십억 년 전의 지구와 매우 비슷할 가능성을 시사한다. 산소가 없다는 건 아직 이 행성에서 광합성이 시작되지 않았서일 수 있다. 지구에서도 식물의 광합성이 본격적으로 시작되기 한참 전에는 산소가 거의 없었고, 오직 미생물들의 DMS만 방출되고 있었다. 즉, K2-18b는 이제 막 생명이 폭발적으로 싹트고 있는 생명 탄생의 극초기 단계를 거치고 있을 수 있다.

그리고 바로 이 점에서 이번 발견은 더욱 매력적이다. 흔히 외계 생명체를 발견한다고 하면, 인류 이상으로 고도로 진화한 복잡한 외계 생태계를 기대한다. 하지만 머지않아 우리가 정말 외계 생명체를 발견하더라도 그런 복잡한 생명체가 발견될 가능성은 매우 낮다. 대신 우주에는 훨씬 단순한 수준에서 머무는 생명체가 훨씬 많을 것이다. 우리 지구도 마찬가지다.

지구에서는 수만 보면 인간보다 미생물이 압도적인 절대 다수다. 만약 외계인 과학자가 지구 아무 곳에나 불시착해서 지구 물질을 한 스쿱 퍼올린다면, 그 안에는 미생물밖에 없을 것이다. 외계인은 지구가 미생물의 지배를 받는 세계라고 판단할지 모른다. 마찬가지의 논리가 우주에도 적용되지 않을까. 우리가 우주 아무곳에서 임의로 우주 물질을 한 스쿱 퍼올리다가, 우연히 생명체가 함께 포획된다면 그 형태는 미생물과 같은 원시적인 모습일 가능성이 아주 높다. 즉, 지극히 과학적으로 봤을 때, 우리가 가장 먼저 조우할 가능성이 높은 존재의 모습이 미생물에 가까울 것이란 점에서, 이번 발견은 딱 그 정해진 수순을 그대로 따라가는 듯한 느낌을 준다. 바로 그 점에서 이번 발견은 우리를 더욱 설레게 만든다.

그동안 우리가 외계 생명체의 존재를 그저 열린 결말로 둘 수밖에 없던 가장 중요한 이유는, 애초에 무엇을 근거로, 무엇을 기준으로 생명의 존재 여부를 판단해야 할지 그 기준 자체가 아직 합의되지 않았기 때문이었다. 생명 활동의 지표로 볼 수 있는 바이오시그니처를 먼저 정해야만 그 이후에 외계 행성에 정말 그 신호가 있는지 없는지 분석이 가능하다. 그리고 드디어 우리는 무엇을 바이오시그니처로 정의해야 할지에 대한 유의미한 논의를 할 수 있는 단계에 이르렀다. 비로소 우리는 외계 생명체의 존재 가능성을 단순한 SF적 상상이 아닌, 과학적 데이터를 두고 이야기할 수 있는 본격적인 우주 생물학의 시대로 접어들고 있다.

참고

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.

지웅배 과학칼럼니스트

writer@bizhankook.com

[핫클릭]

· [사이언스] 우주의 팽창 속도가 느려지고 있다?

· [사이언스] 블랙홀은 검지도, 지루하지도 않다

· [사이언스] 우리가 숨 쉬듯 은하도 호흡한다

· [사이언스] '오르트 구름'은 소용돌이 치고 있다

· [사이언스] '과녁 은하'와 뉴턴의 사과