천문학적 발견: 태양 없는 달에서 생명이 시작될 수 있을까? 유랑 외계위성 표면의 액체 물 가능성

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천문학적 발견: 태양 없는 달에서 생명이 시작될 수 있을까? 유랑 외계위성 표면의 액체 물 가능성

자유롭게 떠다니는 행성, 즉 일반적으로 '유랑 행성'으로 알려진 이 천체들은 성간 공간을 완전히 홀로 떠돕니다. 이들이 엄청나게 많을 수 있다는 말은 다소 과소평가된 표현일 수 있습니다. 최근 추정치에 따르면 유랑 행성의 수는 우리 은하의 별의 수와 맞먹는다고 합니다. 이들 중 일부는 의심할 여지 없이 위성들을 동반하고 있으며, 그 위성들 중 일부는 심지어 지구 크기일 수도 있습니다. 뮌헨 루드비히 막시밀리안 대학교의 데이비드 달뷔딩(David Dahlbüdding)과 그의 공동 저자들이 발표한 새로운 논문은 *왕립천문학회 월간 보고(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)*에 게재 승인되었으며 arXiv에도 사전 공개되었는데, 이 논문은 일부 유랑 외계위성(rogue exomoons)의 표면에 액체 물이 존재할 수 있는 방법을 설명합니다. 이 발견은 생명 존재 조건에 대한 우리의 전통적인 이해에 도전하며, 외계 생명체 탐사를 위한 새롭고 매혹적인 길을 열어줍니다.

별이 없는 달의 표면에 액체 물이 존재할 수 있다는 생각은 언뜻 보기에 완전히 직관에 반하는 것처럼 들릴 수 있습니다. 액체 물은 일반적으로 환경이 충분히 따뜻할 때만 존재할 수 있으며, 이러한 따뜻함은 주로 숙주 행성의 별에서 비롯됩니다. 그렇다면 정의상 근처에 별이 없는 유랑 행성의 위성 표면에 어떻게 액체 물이 존재할 수 있을까요? 간단한 답은 조석력(tides)입니다. 물론 몇 가지 미묘한 차이가 있지만, 조석 가열(tidal heating)은 분명히 달에 액체 물을 생성할 수 있습니다. 이는 엔셀라두스(Enceladus)와 유로파(Europa)의 지하 해양을 움직이고, 심지어 이오(Io)에서 용암 화산을 일으키는 것과 동일한 힘입니다. 이 모든 것은 태양으로부터 직접적인 에너지 유입 없이 이루어집니다. 해당 가스 거대 행성들에 의해 밀리고 당겨지는 힘만으로도 이 위성들의 내부가 물을 녹일 만큼 충분히 가열될 수 있습니다.

하지만 우리 태양계에서는 이러한 위성들 중 어느 것의 표면에도 액체 물이 존재하지 않습니다. 예를 들어, 엔셀라두스와 유로파는 액체 물 해양을 덮고 있는 거대한 얼음층을 가지고 있습니다. 이 얼음층은 달의 핵에서 발생하는 열을 보호하여, 해당 깊이의 온도가 물의 녹는점에 도달할 수 있도록 합니다. 그렇다면 유랑 외계위성들은 열을 가두는 얼음층의 이점 없이 어떻게 표면의 액체 물을 유지할 수 있을까요? 이것이 새로운 연구가 해결하고자 했던 중요한 질문이었으며, 별의 직접적인 에너지 없이 열을 유지하는 새로운 메커니즘을 요구했습니다.

이 분야의 초기 연구는 뮌헨 루드비히 막시밀리안 대학교의 줄리아 로체티(Giulia Roccetti)의 이전 논문에서 절정에 달했는데, 이 연구는 이산화탄소(CO2)로 가득 찬 대기가 얼음층 없이도 표면의 조석 가열 에너지를 효과적으로 가둘 수 있는지에 초점을 맞췄습니다. 충분한 보호 장벽을 형성하려면 CO2의 대기압이 상당히 높아야 했습니다. 그러나 높은 압력과 조석력으로 인한 비교적 낮은 열 조건에서 CO2는 액체 또는 얼음 형태로 응축되어 대기가 붕괴하고 달 자체가 얼어붙게 되는 결과를 낳았습니다. 이 시나리오는 CO2가 장기적인 해결책이 될 수 없음을 보여주었습니다.

하지만 같은 운명을 겪지 않는 대체 가스가 있습니다. 바로 수소입니다. 수소는 극도로 낮은 온도에서만 액체로 변하기 때문에 대기에서 붕괴되지 않습니다. 그러나 일반적인 상황에서 수소는 적외선 에너지에 대해 투명하여, 조석력에서 발생하는 열이 단순히 방출될 수 있습니다. 하지만 매우 높은 압력에서는 H2 분자들이 충돌하여 순간적인 쌍극자를 형성하고, '충돌 유도 흡수(Collision-Induced Absorption - CIA)'라는 과정을 통해 적외선을 흡수합니다. 이는 수소 대기가 거대한 온실 담요처럼 작용하게 하여, 달의 표면이 숙주 행성의 조석 가열만으로도 액체 물이 존재할 만큼 충분히 따뜻하게 유지될 수 있도록 합니다. 이 혁신적인 메커니즘은 행성 거주 가능성에 대한 새로운 패러다임을 제시합니다.

연구자들은 자신들의 주장을 입증하기 위해 다양한 대기 조성 및 압력을 가진 위성들의 온도와, 액체 물의 잠재력에 미치는 다양한 수준의 조석 가열의 영향을 시뮬레이션했습니다. 그들은 복사 열전달 모델과 평형 화학 모델을 모두 사용하여, 이러한 유랑 위성들에 존재할 수 있는 실제 대기를 정확하게 반영했는지 확인했습니다. 그리고 그들이 발견한 것은 상당히 놀라웠습니다. 지구 표준 압력인 1기압에서 액체 물은 이 위성들의 표면에 최대 9,500만 년 동안 존재할 수 있었습니다. 더욱 인상적인 것은, 10기압에 달하는 더 높은 압력에서는 표면의 액체 물이 수십억 년 동안 지속될 수 있다는 점입니다. 이처럼 긴 기간은 생명의 출현과 진화에 충분하고도 남는 시간이며, 이는 별 주변의 전통적인 '골디락스 존'을 넘어선 우주에서의 생명 존재에 대한 우리의 이해를 근본적으로 변화시킵니다.

이러한 결과는 유랑 행성과 그 위성들이 외계 생명체 탐색에서 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 중요할 수 있음을 시사합니다. 만약 우리 은하에 수십억 개의 이러한 시스템이 존재하고, 그 중 상당수가 수소 대기를 가진 지구 크기의 위성을 가지고 있다면, 우주에서 잠재적으로 거주 가능한 장소의 수는 크게 과소평가되었을 수 있습니다. 이 연구는 거주 가능 조건에 대한 우리의 이해를 정교하게 만들 뿐만 아니라, 태양계 외부의 생명 유지 지역에 대한 정의를 재고하도록 강요하며, 우주가 발견되기를 기다리는 숨겨진 오아시스로 가득할 수 있음을 보여줍니다.

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