우주에서 생명체 찾기

용어 설명

 

드레이크 방정식 : 인간과 교신할 수 있는 지적인 외계 생명체가 살 수 있는 행성의 수를 계산하는 방정식으로 1960년대에 방정식을 최초로 고안한 프랭크 드레이크 박사의 이름을 붙여 “드레이크 방정식” 혹은 그린 뱅크 방정식(Green Bank equation) 또는 세이건 방정식(Sagan equation)이라고도 한다.

 

드레이크 방정식 : N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

 

N : 우리 은하 내에 현재 외계와 통신이 가능한 행성의 수

 

R* : 우리은하 내에서 별들이 1년에 몇 개나 생성되는지를 나타내는 숫자이다. 일종의 별 생성 속도인 셈이다. 구체적으로는 우리 은하 내에 있는 별들의 수를 별의 평균수명으로 나눈 값이다. 우리 은하에는 1천억 개의 별이 있고 보통 별의 수명이 1백억 년이므로 R*값은 10으로 추정한다.

 

fp : 별 중에서 행성을 가지고 있는 확률이다(p : planet). 별의 형성이론에 따르면, 원시 성운으로부터 태양 정도의 질량의 별이 탄생할 때 행성 계를 가지는 것은 보편적인 현상이다. 그러나 태양정도 별의 반은 쌍성을 형성하는데, 이때에는 행성 계를 만들기가 어렵다.

 

ne : 행성 계 내에 생명이 살 수 있는 행성의 수이다. 생명이 살 수 있는 행성이란 우선 표면이 단단한 지구형 행성이어야 하며, 별과의 거리가 적당히 떨어져 있어 생명체가 의지할 수 있는 적정한 에너지가 공급되어야 한다고 가정한다.

 

fl : 행성 내에 생명이 탄생할 수 있는 확률이다(l : life). 생물학자들 중에는 앞에서와 같은 조건이면 생명이 탄생하는 것은 필연이라고 주장하는 사람이 있는 반면에, 생명은 그처럼 쉽게 생겨나지 않는다고 주장하는 사람들도 있다.

 

fi : 생명체가 지적 문명체로 진화할 확률이다. 미생물만 생기면 자연의 섭리에 따라 시간이 지나면서 지적인 생물이 태어난다고 할 때의 값은 1이다. 이것 역시 사람들마다 여러 가지 값을 가질 수 있다.

 

fc : 지적 문명체가 다른 별에 자신들의 존재를 알릴 통신기술을 가질 확률을 의미한다(c : communication). 우리 인간은 20세기 초까지 다른 별과 통신할 만큼의 문명을 발달시키지 못했다. 물론 여기에서도 태양계 내에서 통신하는 것과 외부 항성까지 통신하는 것과는 큰 차이가 있음을 고려해야 할 것이다.

 

L(length) : 기술문명이 존속하는 기간이다(단위 : 년). 진화된 문명이 영원히 존재할 수는 없는 일이다. 인류문명만 하더라도 기술 문명을 갖추기 시작한 것은 1백년밖에 되지 않는데 핵전쟁이라든가, 소행성 충돌 등의 요인으로 소멸할 가능성을 배제할 수는 없다.

 

케플러 우주망원경 : 미국 항공우주국(NASA)의 외계 지구형 행성 탐사용 우주만원경이다. 케플러 계획은 외계 행성이 어머니 항성을 돌면서 항성을 가려 항성의 밝기가 감소하는 것을 감지할 목적으로, NASA가 개발한 우주 광도계를 이용하여 3년 반에 걸쳐 10만 개 이상의 행성들을 관측할 것이다. 이 계획은 독일 천문학자 요하네스 케플러의 이름을 따왔다.

 

도플러 효과 : 어떤 파동의 파동원과 관찰자의 상대 속도에 따라 진동수와 파장이 바뀌는 현상을 가리킨다. 소리와 같이 매질을 통해 움직이는 파동에서는 관찰자와 파동원의 매질에 대한 상대속도에 따라 효과가 변한다. 그러나 빛이나 일반상대성이론에서의 자기력과 같이 매질이 필요 없는 파동의 경우 관찰자와 파동원의 상대속도만이 도플러 효과에 영향을 미친다.

 

펄사 : 고도로 자기화된, 관측 가능한 전파의 형태로 전자기파의 광선을 뿜는, 자전하는 중성자별이다. 펄사를 표시하는 기호 PSR은 맥동전파원의 약자이다. 펄사는 1.5밀리 초에서 8.5초 사이의 주기로 광선을 방출한다. 방출 빔이 지구를 향할 때만 펄사의 복사 활동을 관측할 수 있다.

 

 

가정

1. 우주에서 나만의 과학단지를 건설할 수 있는 외계행성은 너무 춥거나 뜨겁지 않은 행성으로 한다.

2. 행성 주변에는 태양과 같은 에너지원인 항성이 있어야 하며, 행성은 항성 주변을 공전해야 한다.

3. 골디락스 존, 즉 생명체 거주 가능 지역에 있는 행성만을 과학단지를 건설할 수 있다고 취급한다.

4. 과학 단지를 짓기 위해 물품들을 이동시킬 때 필요한 우주선, 기술 등과 같은 요인들은 생각하지 않는다.

5. 오로지 생명체가 거주 가능한 확률이 있는 행성에서만 우주 과학 단지를 건설한다.

6. 우리 은하 안에서만 이루어진다.

외계행성 찾는 법

 

첫 번째 : 행성이 우연히 별 앞을 지날 때 별의 광도가 변화하는 것을 정밀 분석하는 방법이다.

 

 

 

밝기 변화가 일어났을 때 흑점이나 별 표면에서 일어나는 다른 현상에 의한 것이 아니라면 간접적이나마 행성이 있다고 말할 수 있다. 행성이 밝다면, 행성이 직접 별을 가리지 않더라도 행성의 위치에 따라 별과 행성을 합한 밝기가 변화하므로 행성의 존재를 유추해낼 수 있다. 즉 행성은 스스로 빛을 내지 못하고 별의 빛을 받아 빛나므로 행성이 별 주위를 돌면서 별빛을 가리면 어둡고, 별빛을 반사해 별빛에 광도를 더하면 밝아지는 광도 변화를 추적해 내는 것이다.

 

 

 

 

두 번째 : 도플러 효과를 이용하는 방법이다. 질량이 큰 행성이 별 주위에 있으면 그 행성의 중력에 의해 미약하나마 별도 움직이게 된다. 따라서 스펙트럼을 측정해 보면 적색편이와 청색편이가 주기적으로 일어나게 된다. 행성의 질량이 클수록 별이 도는 현상은 뚜렷이 나타난다.

다가오는 물체에서 나오는 빛은 원래 빛의 진동수보다 커지고, 멀어지는 물체에서 나오는 빛은 원래 빛의 진동수보다 작아진다. 여기에서 중요한 점은 소리의 진동수 변화는 음높이의 변화로 나타나는 반면, 사람이 볼 수 있는 빛, 다시 말해 가시광선의 진동수 변화는 색깔의 변화로 나타난다.

가시광선에서 푸른색 빛은 상대적으로 큰 진동수와 짧은 파장의 빛이고, 붉은색 빛은 작은 진동수와 긴 파장의 빛이다. 만약에 빛을 내는 물체가 다가오면 빛의 진동수가 커져 좀 더 푸른색으로 변하고, 빛을 내는 물체가 멀어지면 빛의 진동수가 작아져 좀 더 붉은색으로 변한다. 푸른색을 의미하는 ‘청색’이라는 단어와 붉은색을 의미하는 ‘적색’이라는 단어, 그리고 한쪽으로 옮겨간다는 의미의 ‘편이’라는 단어를 써서, 도플러 효과로 빛의 진동수가 커지는 현상을 진동수가 큰 푸른색 쪽으로 옮겨간다고 해서 ‘청색 편이’, 빛의 진동수가 작아지는 현상을 진동수가 작은 붉은색 쪽으로 옮겨간다고 해서 ‘적색 편이’라고 부른다. 우리 눈에 보이는 빛뿐만 아니라 다른 종류의 빛 그리고 소리까지도 도플러 효과로 진동수가 커지면 ‘청색 편이’가 일어난다고 말하고 진동수가 작아지면 ‘적색 편이’가 일어난다고 말한다.

 

 

 

세 번째 : 전파신호를 주기적으로 내는 천체인 펄사의 신호주기 변화를 측정하는 방법이다. 1967년 처음 발견된 펄사는 초신성의 폭발로 형성된 중성자별이 내는 전파인데, 중성자별이 빠르게 회전하면서 주기적인 전파를 방출하는 것이다. 펄사 주위에 행성이 돌고 있으면 펄사 신호의 주기가 변화하게 된다. 이 변화를 추론해 행성의 존재를 유추해 낼 수 있다.

 

 

네 번째 : 중력렌즈에 의한 방법이다. 아인슈타인의 일반상대성 이론에 따르면 빛도 중력에 따라 경로가 휘어진다. 때문에 별빛이 행성의 중력에 의해 굽어져 별의 밝기가 변하면 이를 정밀 분석해 행성의 존재를 유추해낼 수 있다.

 

 

 

다섯 번째 : 별이 움직이는 경로를 추적하는 방법이다. 별이 일정한 방향으로 움직일 때 혼자 움직일 경우에는 직선 경로를 보이지만, 행성과 같이 갈 경우 경로가 꼬불꼬불한 경로를 그리게 된다. 이유는 별과 행성이 공동 무게 중심을 돌면서 행진하기 때문이다. 따라서 별의 경로를 정확히 측정하면 보이지 않는 행성의 존재를 알 수가 있다.

드레이크 방정식

매우 거대한 우리 은하에 만약 생명체가 있다면 그 천체의 수는 얼마나 될까? 칼 세이건은 우리 은하 내에 100만 개의 행성들에 지적인 생명체가 살고 있을 것이라고 주장했다. 하지만 이러한 주장은 오직 직감에만 의존하고 있다는 문제점이 있다. 이에 반해 체계적인 수식을 제시한 사람이 외계 생명체 연구의 개척자인 드레이크이다. 그는 다음과 같은 논리로 외계 문명 천체의 수를 수식화 했다. 이러한 드레이크 방정식을 차례차례 살펴보자.

 

 

1. 우리 은하 내에 별이 약 1000억 개 정도 있다. 그러나 별은 온도가 높아 생명체가 살 수 없을 것이다. 오히려 지구처럼 별 주위에 있는 행성에서 생명체가 나타날 것이다. 그런데 모든 별이 행성을 갖고 있는 것은 아니다.
   
   위의 논리로부터 우리 은하 내의 행성의 수를 추정해 보려면 별들 중 몇 %가 행성을 지닐 것인지, 지닌다면 평균적으로 몇 개씩의 행성을 지니는지를 알아야 한다. 즉, 별들 중 반은 행성을 갖고 나머지 반은 행성을 갖지 않는다면 우리 은하 내에는 1000억 개 × 50 % = 500억 개의 별들이 행성을 갖고 있다. 그러면 행성을 갖는 별은 평균 몇 개의 행성을 갖고 있을까? 잘 모르지만 우리 태양을 예로 들면 9개의 행성을 갖는다고 볼 수 있다. 그래서 우리 은하 내의 행성의 수는 500억 개 × 9개 = 4,500억 개가 된다.
   
   

2.  모든 행성에서 생명체가 만들어지는 것은 아니다. 즉, 생명체가 만들어질 수 있는 여건이 되어야 되며, 그러한 여건을 갖추고 있다고 해서 꼭 생명체가 만들어진다는 보장도 없다.
   
   위의 논리를 우리 태양계에 적용시켜 보자 태양계의 9개 행성 중 3개(금성, 지구, 화성) 정도는 생명체가 만들어질 수 있는 여건을 갖추고 있다고 볼 수 있다. 그러나 현재 생명체가 있다고 확신하는 것은 지구 하나뿐이다. 이 논리를 은하계 전체에 도입하면 생명체가 태어날 수 있는 환경의 행성은 9개 중 3개 이므로 1/3의 확률이고, 그들 3개 중에서도 정말로 생명체가 만들어지는 것은 또한 1/3이다. 그래서 우리 은하 내의 생명체가 만들어질 가능성이 있는 행성의 수는 4,500억 개 × 1/3 = 1,500억 개이며, 다시 생명체가 만들어지는 행성의 수는 1,500억 개 × 1/3 = 500억 개가 된다.
   
   
   

3. 어떤 행성에서 생명체가 만들어진다고 해서 모두 인간과 같은 지적인 생명체로 진화된다고 볼 수는 없다. 나아가 지적인 생명체로 진화했다고 할지라도 그들이 우리 지구와 교신할 수 있을 만큼 우수한 기술을 가질 때까지 발전할 수 있을지도 의문이다. 나아가 외계와의 통신 기술을 갖은 상태를 얼마나 지속한 후 멸망하는 지도 알아야 한다.
   
   우리 태양계에서는 아직까지 지구가 유일하게 생명체를 보유한 행성이며, 지적인 생명체를 거쳐 외계와 통신이 가능한 상태까지 왔다. 따라서 태양계를 모델로 택하면 생명체가 만들어진 행성에서 외계와의 통신이 가능한 단계까지 갈 확률이 100 % 이다. 즉, 외계와 통신이 가능한 행성의 수는 500억 개 × 100 % = 500억 개다. 하지만 사실은 이보다 더 적을 것이다.
   
   

4.  우리 인간은 앞으로 얼마나 오래 동안 문명을 유지할 수 있을까?
   
   만약 우리 인간이 앞으로 200년 정도 더 문명을 유지할 수 있고, 그리고 우리 은하의 나이를 약 100억 년이라 가정하면 외계와 통신이 가능한 행성이 현재 발견될 확률은 200년/100억 년이므로, 현재 외계와 통신이 가능한 행성의 수는 결국 500억 개 × (200년/100억 년) = 1,000개가 된다.
   
   앞에서 유도한 값은 아주 부정확 값이다. 도입된 많은 확률이 상당히 부정확하며, 현재로서는 정확한 추정이 불가능하다. 어떤 것은 지나치게 높게 추정되었을 것이고, 또 어떤 것은 지나치게 낮게 추정되었을 것이다. 예를 들면 비록 통신이 가능한 문명이 200년밖에 지속할 수 없다 할지라도 그런 문명은 대개 은하 생성 초기에는 없었고, 오히려 은하가 지금처럼 상당히 진화된 상태에서 나타날 것이다. 그런 면에서 보면 확률은 높아진다. 그러나 기타 변수들은 지나치게 높게 잡았을지도 모른다. 어쨌든 앞의 과정을 수식으로 표현하면 다음과 같으며, 이를 드레이크 방정식이라 한다.

 

케플러 우주 망원경

케플러 우주 망원경은 미국 항공우주국(NASA)의 외계 지구형 행성 탐사용 우주망원경이다.

케플러 망원경은 행성이 별 앞을 지날 때 별빛이 줄어드는 것으로 행성의 존재를 확인하는 천체면 통과 방식을 이용한다. 이를 통해 지난해 11월 퇴역할 때까지 수천 개의 외계행성을 찾아냈다. 케플러 우주 망원경은 이러한 방법을 통하여 지금까지 발견된 외계 행성의 70%를 찾아냈다.

 

 

 

케플러 우주 망원경은 지금까지 소개한 외계 행성을 찾는 방법 중 가장 확실하고 선호되는 방법이지만 지금은 연료 고갈로 인하여 퇴역되어있다.

 

 

 

생명체 거주 가능 영역을 뜻하는 ‘Habitable Zone(HZ)’은 액체상태의 물이 존재할 수 있는 곳이다. 즉, 행성을 거느리고 있는 ‘별’로부터 적당한 거리가 바로 생명체 거주 가능 영역이다. 행성 대기의 압력이나 습도에 따라 다소 차이가 있을 수 있지만 우리 태양계를 기준으로 하면 태양에서 지구까지 거리 정도가 바로 해비 터블 존에 해당한다. 너무 뜨겁지도, 차갑지도 않은 적당한 지역이란 뜻으로 골디락스 존이라고도 불린다.