외계 행성계 탐사
(1) 중심별의 시선 속도 변화를 이용하는 방법
① 별과 행성이 공통 질량 중심을 중심으로 공전함에 따라 별의 시선 속도가 변하면서 도플러효과에 의한 별빛의 파장 변화가 생긴다. 따라서 별빛의 스펙트럼을 분석하면 행성의 존재를확인할 수 있다.
② 행성의 질량이 클수록 별빛의 도플러 효과가 커서 행성의 존재를 확인하기 쉽다.
③ 행성의 공전 궤도면이 관측자의 시선 방향과 수직에 가까운 경우에는 중심별의 시선 속도 변화가 거의 나타나지 않으므로 행성의 존재를 확인하기 어렵다.
(2) 식 현상을 이용하는 방법
① 중심별 주위를 공전하는 행성이 중심별의 앞면을 지날 때 중심별의 일부가 가려지는 식 현상이 나타난다. 식 현상에 의한 중심별의 밝기 변화를 관측하여 행성의 존재를 확인할 수 있다.
② 행성의 반지름이 클수록 중심별이 행성에 의해 가려지는 면적이 커서 중심별의 밝기 변화가 크므로 행성의 존재를 확인하기 쉽다.
③ 행성의 공전 궤도면이 관측자의 시선 방향과 거의 나란할 때 식 현상이 일어날 수 있다.
(3) 미세 중력 렌즈 현상을 이용하는 방법
① 거리가 다른 두 개의 별이 같은 시선 방향에 있을 경우 뒤쪽 별의 별빛이 앞쪽 별의 중력에 의해 미세하게 굴절되어 휘어지면서 뒤쪽 별의 밝기가 변하는데, 이를 미세 중력 렌즈 현상이라고 한다. 이때 앞쪽 별이 행성을 가지고 있으면 행성에 의한 미세 중력 렌즈 현상으로 뒤쪽 별의 밝기가 추가적으로 변하는데, 이를 이용하여 앞쪽 별을 공전하는 행성의 존재를 확인할 수 있다.
② 행성의 공전 궤도면이 관측자의 시선 방향과 수직일 때에도 행성에 의한 미세 중력 렌즈 현상이 나타나므로 행성의 존재를 확인할 수 있으며, 지구와 같이 질량이 작은 행성을 찾는 데상대적으로 유리하다. 미세 중력 렌즈 현상은 드물게 발생하며 주기적인 관측이 불가능하다.
(4) 직접 관측하는 방법
① 외계 행성계를 직접 관측할 때는 행성의 밝기가 중심별에 비해 매우 어두우므로 중심별을 가리고 행성을 직접 촬영하여 존재를 확인할 수 있다. 행성이 방출하는 에너지는 대부분 적외선 영역이므로 행성을 직접 관측할 때 주로 적외선 영역에서 촬영한다.
② 지구에서 외계 행성계까지의 거리가 가까울수록, 행성의 반지름이 클수록, 행성의 표면 온도가 높을수록 적외선의 세기가 강하므로 직접 촬영하여 행성의 존재를 확인하기 쉽다.
③ 행성 대기를 통과해 온 빛을 분석하여 행성의 대기 성분을 알아낼 수 있다.
(5) 여러 외계 행성계 탐사 방법으로 발견한 행성들의 특징
① 현재까지 수천 개의 외계 행성이 발견되었다.
② 중심별의 시선 속도 변화 이용: 대부분 질량이 크다.
③ 식 현상 이용: 대부분 공전 궤도 반지름이 작다.
④ 미세 중력 렌즈 현상 이용: 대부분 공전 궤도 반지름이 크다.
⑤ 지금까지 발견된 외계 행성은 대부분 목성과 같이 질량이 큰 기체형 행성이었지만 최근에는 외계 생명체가 존재할 가능성이 높은 지구형 행성을 중심으로 탐사하고 있다.
외계 생명체 탐사
외계 생명체 탐사는 자연에 대한 이해는 물론 지구 생명체를 이해하는 데 큰 도움을 주며, 외계 생명체를 찾기 위해서는 생명 가능 지대에 위치하고 단단한 표면이 있는 지구형 행성을 찾아야한다.
(1) 외계 생명체: 지구가 아닌 공간에 사는 생명을 지닌 존재로, 지구의 생명체와 같이 주로 탄소를 기본으로 하는 물질로 이루어져 있을 것으로 추정하고 있다. 탄소는 최외각 전자 수가 4개로, 탄소 원자 1개는 최대 4개의 다른 원자와 결합할 수 있다. 또한 탄소는 다른 원자들과 다양한 방식으로 결합하여 복잡하고 다양한 화합물을 만든다.
(2) 생명 가능 지대: 별의 주위에서 물이 액체 상태로 존재할 수 있는 거리의 범위이다. 주계열성인 별의 광도는 별의 질량이 클수록 크므로, 생명 가능 지대는 중심별의 질량에 따라 다르게 나타난다. ⇨ 태양계의 경우 생명 가능 지대는 금성과 화성 사이에 위치한다.
(3) 지구에 생명체가 존재할 수 있는 이유
① 태양으로부터의 거리: 지구는 태양에서 약 1억 5천만`km 떨어져 있고, 금성이나 화성과 달리 액체 상태의 물이 존재할 수 있었다. 이로 인해 대기 중의 이산화 탄소가 물에 녹아 감소함으로써 온실 효과가 적절하게 일어났으며, 생명체가 살기에 알맞은 온도가 되었다.
② 물의 특성과 생명체의 존재: 액체 상태의 물은 열용량이 커서 많은 양의 열을 오랜 시간 보존할 수 있고, 다양한 물질을 녹일 수 있는 좋은 용매이므로 생명체가 탄생하고 진화할 수 있는서식 환경으로 중요한 요건이 된다. 지구에는 액체 상태의 물이 존재하므로 생명체가 출현할수 있었고, 현재와 같이 진화할 수 있었다.
③ 대기의 역할: 지구 대기는 구성 성분과 양이 적절하여 태양에서 오는 자외선 등을 차단하고 생명체를 보호하는 역할을 한다.
(4) 외계 생명체가 존재하기 위한 행성의 조건
① 물이 액체 상태로 존재할 수 있는 생명 가능 지대에 위치해야 한다. ⇨ 액체 상태의 물은 다
양한 종류의 화학 물질을 녹일 수 있으므로 물에서 복잡한 유기물 분자가 생성될 수 있다.
② 구성 성분과 양이 적절한 대기를 가지고 있어야 한다. ⇨ 대기가 적절한 온실 효과를 일으킬때 생명체가 살아가기에 적당한 온도를 유지할 수 있다. 행성의 대기 성분은 식 현상이 일어날 때 행성의 대기를 통과한 별빛을 분석하여 알아낼 수 있다.
③ 행성의 자기장이 우주에서 들어오는 고에너지 입자를 차단시켜 주어야 한다. ⇨ 행성의 자기장이 중심별과 우주에서 들어오는 우주선 등의 고에너지 입자를 차단시켜 생명체가 존재하는 데 유리한 환경을 만든다.
④ 행성에서 생명체가 탄생하여 진화하기 위해서는 행성이 생명 가능 지대에 오랫동안 머물러있어야 한다. 중심별의 질량이 클수록 수명이 짧아서 행성이 생명 가능 지대에 머무르는 시간이 짧다.
- 중심별이 질량이 큰 주계열성일 때: 별의 중심부에서 연료 소모율이 커서 광도가 크고 수명이 짧다. 별의 수명이 짧으면 별 주위를 공전하는 행성에서 생명체가 탄생하여 진화할 시간이 부족하다. 따라서 별의 질량이 매우 크면 생명체가 존재하기에 적합한 환경을 이루지 못한다.
- 중심별이 질량이 작은 주계열성일 때: 별의 중심부에서 연료소모율이 작아서 광도가 작고 수명이 길다. 별의 광도가 작으면 생명 가능 지대가 중심별에 가까워져 생명 가능 지대 안에 있는 행성의 자전 주기와 공전 주기가 같아질 가능성이 높아진다. 이 경우 행성은 항상 같은 면이 별 쪽을 향하게 되므로 낮과 밤의 변화가 없어 생명체가 살기 어렵다.(평균 온도는 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도이지만, 낮인 지역은 온도가 너무 높고, 밤인 지역은 온도가 너무 낮으므로 대부분의 지역에서 액체 상태의 물이 존재할 수 없다.) 따라서 별의 질량이 매우 작으면 생명체가 살기에 적합한 환경을 이루지 못한다.
(5) 외계 생명체 탐사: 외계 행성계 탐사 결과 우리은하에는 별이 행성을 거느리고 있는 외계행성계가 많이 존재한다는 것을 알게 되었으며, 외계 생명체 탐사가 지니는 여러 가지 의의 때문에 세계 여러 국가와 단체에서 외계 생명체 탐사를 활발하게 진행하고 있다.
① 외계 지적 생명체 탐사(Search for Extra–Terrestrial Intelligence; SETI): 외계 지적 생명체를 찾기 위한 일련의 활동을 통틀어 부르는 말로, 전파 망원경을 이용하여 외계 행성으로부터 오는 전파를 찾거나 전파를 보내서 외계 지적 생명체를 찾고 있다.
② 우주 탐사선: 태양계 천체를 중심으로 외계 생명체를 탐사하는 탐사선과 탐사 로봇으로 로제타호, 퍼서비어런스 등이 있다.
- 로제타호: 혜성 67P를 탐사한 우주 탐사선으로, 물과 유기물의 기원에 대한 정보를 얻기 위한 탐사를 수행하였다.
- 퍼서비어런스: 무인 화성 탐사 로버로, 2021년 2월 18일 화성에 착륙하여 현재까지 화성의생명체 존재 여부, 화성의 고대 환경 조사, 화성 지표면의 지질 역사 등에 대한 연구를 진행중이다.
③ 우주 망원경: 최근에는 우주 망원경으로 생명 가능 지대에 속한 외계 행성을 찾고, 행성의대기 성분을 분석하여 생명체가 존재할 수 있는 환경인지 파악하는 연구도 진행되고 있다.
- 케플러 망원경: 2009년에 발사된 우주 망원경으로 2018년 11월 임무가 종료될 때까지 외계 행성을 2600개 이상 발견하였으며, 생명체가 존재할 가능성이 높은 지구형 행성도 10여 개 발견하였다. 식 현상을 이용하여 외계 행성을 탐사하였다.
- 테스 망원경: 2018년에 발사된 우주 망원경으로 케플러 우주 망원경보다 약 400배 더 넓은 영역을 탐사하면서 가동된 지 한 달 만에 행성을 가지고 있을 가능성이 높은 별 73개를 발견하였으며, 지구와 비슷한 규모의 행성 2개를 찾아냈다. 주로 식 현상을 이용하여 외계 행성을 탐사한다.
- 제임스 웹 망원경: 2021년에 발사한 우주 망원경으로 주된 임무는 적외선 영역에서 우주를 탐사하여 우주의 초기 상태에 대해 연구하는 것이다. 또한 적외선 영역에서 탐사하므로 코로나그래프를 이용하여 중심별의 별빛을 차단한 상태에서 외계 행성이나 행성의 고리 등을 찾는 임무를 수행할 예정이다. 외계 행성을 직접 촬영하여 그 존재를 확인할 수 있다.
참고자료: EBS 수능 특강 지구과학1
