지구형 생명체 거주 가능한 외계행성 대기 첫 발견
천문학자들이 태양계에서 48광년 떨어진 암석형 외계행성 'LHS 1140-b'의 대기에서 헬륨을 최초로 발견했습니다. 이는 생명체 거주가능 영역에 있는 암석형 행성이 대기를 가질 수 있음을 직접적으로 증명한 최초의 사례로, 외계 생명체 탐색에 획기적인 전기를 마련했습니다.
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목요일 과학 저널 '사이언스(Science)'에 발표된 연구에 따르면, 천문학자들이 역사상 처음으로 항성의 생명체 거주가능 영역(Habitable zone)에 있는 암석형 외계행성 주변에서 대기를 감지했습니다. 이는 외계 생명체 탐색에 있어 중대한 돌파구로 평가받고 있습니다.
'LHS 1140-b'로 명명된 이 행성은 지구보다 약 5.6배 더 무거우며, 태양계에서 약 48광년 떨어진 곳에 위치한 작은 왜성(Dwarf star)을 공전하고 있습니다. 과학자들은 우리 은하의 거대 가스 행성이나 거주가능 영역 밖에 있는 일부 암석형 외계행성 주변에서 대기를 발견한 바 있습니다. 그러나 이번에 LHS 1140-b의 하늘에서 헬륨이 감지된 것은 거주가능 영역 내의 암석형 행성이 대기를 보유할 수 있다는 최초의 직접적 증거이며, 이는 생명체 존재 가능성을 평가하는 데 매우 중요한 요소입니다.
시카고 대학교의 NASA 허블 펠로우인 콜린 체루빔(Collin Cherubim)은 404 Media와의 통화에서 "더 지구와 같은 암석형 행성들의 경우, 대기 자체를 감지하는 것은 해당 분야에서 매우 큰 도전 과제였다"며 "이 문제에 너무나도 많은 시간과 에너지가 답을 찾는 데 투입되어 왔던 미지의 영역"이라고 말했습니다.
하버드 대학교 박사과정 시절 이 연구를 수행했던 체루빔은 "이번 발견은 액체 물을 보유하고 생명체를 실제로 부양할 가능성이 있는 거주가능 영역 내 암석형 외계행성의 대기에 대한 최초의 주장"이라며 "이것이 이 행성을 특별하게 만들고 정말 흥미로운 이유"라고 덧붙였습니다.
과학자들은 이전에도 낮과 밤의 온도 차가 예상보다 완만하다는 간접적 측정 데이터를 바탕으로, 생명체 거주가능 영역 내의 일부 암석형 행성에 대기가 있을 것이라고 추론한 바 있습니다. 하지만 이러한 암석형 세계 주변에서 대기를 관측하는 것은 까다로운데, 행성이 모항성에 비해 상대적으로 너무 작아 정밀 관측에 큰 어려움이 있기 때문입니다.
체루빔은 이 문제에 새로운 접근 방식을 도입했습니다. 그는 먼저 대기 중의 가벼운 분자와 원자는 우주 공간으로 탈출하고 무거운 것들은 남게 되는 질량 분별(Mass fractionation) 과정에 초점을 맞춘 암석형 외계행성의 이론적 모델을 개발했습니다. 이 시뮬레이션은 지표면에 가까운 하층부는 두텁고, 상층부 대기는 얇아 헬륨이 우주로 탈출할 수 있는 새로운 유형의 행성을 예측했습니다.
체루빔은 "수소는 가장 가벼운 원소로 우주로 가장 쉽게 날아가는 원소"라며 "행성이 수소를 충분히 날려 보내지만 약간 더 무거운 헬륨까지 같이 끌려가지 않는 적절한 상태에 있다면, 시간이 지나면서 헬륨이 주를 이루는 대기를 형성할 수 있다는 것이 모델의 예측"이라고 설명했습니다. 그는 또한 "이것은 매우 독특한 화학적 특성을 가질 것으로 예측되는 새로운 부류의 행성"이라고 덧붙였습니다.
체루빔은 이 탈출하는 헬륨이 지구에서도 감지할 수 있을 것이라는 사실을 깨달았고, LHS 1140 행성계가 이 가설을 테스트할 완벽한 후보라는 점을 확인했습니다. 이를 위해 연구팀은 칠레의 마젤란 천문대(Magellan Observatory)에 있는 적외선 에셸 분광기(Warm Infrared Echelle Spectrograph, WINERED)를 사용하여 2024년과 2025년에 걸쳐 LHS 1140-b와 동일한 항성계의 또 다른 행성인 LHS 1140-c를 관측했습니다.
그 결과, 2024년 관측에서는 LHS 1140-b에서 강력한 헬륨 신호가 확인되었으나, 2025년에는 감지되지 않았습니다. 이는 헬륨 방출이 시간에 따라 변동성을 띠기 때문일 수 있습니다. 연구팀은 이 행성이 수십억 년 동안 대기를 유지해 왔을 것으로 추정하고 있습니다. 반면 다른 행성인 LHS 1140-c에서는 대기 징후가 전혀 발견되지 않았는데, 이는 해당 행성의 궤도와 특성을 고려할 때 애초에 예상되었던 결과입니다.
이 의미 있는 발견은 태양과 같은 거대한 항성보다 훨씬 흔한 왜성 주변을 포함해 암석형 행성들에도 대기가 존재할 수 있음을 증명합니다. 체루빔과 그의 동료들은 LHS 1140-b의 표면에 생명체 탄생의 또 다른 핵심 요소인 '많은 양의 액체 물'이 존재할 가능성이 매우 높다고 생각하고 있습니다.