(In this artist’s concept, the moon Ganymede orbits the giant planet Jupiter. A saline ocean under the moon’s icy crust best explains shifting in the auroral belts measured by the Hubble telescope. Astronomers have long wondered whether Jupiter’s moons would be habitable if radiation from the sun increased. Credit: NASA/ESA)
(This illustration shows the lower bound for habitability in terms of planet mass. If an object is smaller than 2.7 percent the mass of Earth, its atmosphere will escape before it ever has the chance to develop surface liquid water. Credit: Harvard SEAS)
수많은 외계 행성이 발견되면서 지구처럼 생명체가 살 수 있는 행성에 대한 궁금증도 커지고 있습니다. 지금 당장 탐사선을 보내 생명체를 직접 확인할 순 없지만, 적어도 안정적인 대기와 액체 상태의 물을 지닌 행성은 확인하기 위한 노력이 진행 중입니다.
지구처럼 안정적인 대기와 표면에 액체 상태의 물이 존재하기 위해서는 여러 가지 조건이 맞아야 합니다. 대표적인 조건은 충분한 에너지를 받을 수 있는 공전궤도와 적당한 크기입니다. 여기서 한가지 흥미로운 질문은 지구형 행성의 질량 하한선입니다. 액체 상태의 물과 안정적인 대기를 적어도 10억년 이상 지닐 수 있는 행성의 크기는 어디까지일까요?
하버드 대학의 콘스탄틴 아르스키드 (Constantin Arnscheidt)와 그 동료들은 지구형 행성의 질량 하한선으로 달과 수성의 중간 수준인 지구 질량의 2.7%를 제시했습니다. 이렇게 작은 행성이 열에너지를 충분히 안정적으로 보존할 수 있을지 의문이 생기지만, 연구팀은 이론적으로 가능하다고 주장했습니다. 질량이 작아지는 만큼 대기는 커질 수 있기 때문입니다.
행성이 작을수록 대기를 잡아두는 중력은 약해집니다. 이렇게 되면 대기가 부풀어 오르면서 더 많은 항성 에너지를 받을 수 있게 됩니다. 만약 행성 대기가 이산화탄소 같은 온실가스를 많이 가지고 있다면 화성보다 작은 크기라도 액체 상태의 물을 지니고 있을 가능성이 있습니다. 동시에 커진 대기가 온실효과 폭주를 막아 금성처럼 극단적으로 뜨거운 행성이 되는 것을 막을 수 있습니다. 하지만 행성이 너무 작으면 대기 자체를 잃을 수밖에 없기 때문에 안정적인 온도 유지가 불가능해집니다. 다른 모든 조건이 다 맞아도 질량 하한선 아래에서는 생명체가 존재할만한 조건이 안된다는 이야기입니다.
당연히 이 연구가 지구 질량의 2.7%가 넘으면 생명체 존재 가능성이 높다는 것을 의미하지는 않습니다. 다른 조건이 맞지 않을 수 있기 때문이죠. 대표적으로 지구와 질량이 가장 비슷한 행성인 금성이 있습니다. 하지만 질량이 좀 작더라도 가능성은 있다는 이야기 역시 흥미롭습니다. 이 이론이 맞는지는 앞으로 실제 관측을 통해서 검증해야 할 것입니다.
참고
Constantin W. Arnscheidt et al. Atmospheric Evolution on Low-gravity Waterworlds, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab2bf2
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