[미디어파인=이상원 기자] 현재까지 천문학자들이 발견해 목록에 올린 외계행성만 5,000개가 넘지만, 이 중에서도 최근 확인된 한 행성이 가장 흥미로운 존재로 떠올랐다. 이 행성은 인근의 태양 비슷한 별을 도는 “불과 얼음”의 세계로, 생명체가 살 수 있을지도 모른다는 가능성을 품고 있다.
이 행성은 HD 20794 d라는 이름을 지닌다. 이 별(HD 20794) 주변에는 이미 b와 c라는 행성이 발견돼 있었는데, 이번에 d가 추가로 확인된 것이다. 질량은 최소 지구의 6.5배에 달한다. 대부분이 암석으로 이뤄진 ‘슈퍼 지구’ 유형이거나, 두꺼운 가스층이나 전 지구적 바다에 둘러싸인 미니 해왕성일 수도 있다. 무엇보다 이 행성이 주목받는 이유는 무척 특이한 궤도에 있다. 647일에 이르는 공전 궤도가 완벽한 원형이 아니라서 한쪽 끝에서는 화성보다 더 멀리 떨어지지만, 다른 한쪽에서는 금성만큼 가까워진다. 이렇게 멀어졌다 가까워지는 동안 행성은 상당한 온도 차이를 경험하게 된다. 물이 액체 상태로 존재할 수 있는 이 별의 ‘생명 가능 지대(habitable zone)’를 스쳐 지나면서도, 때로는 물이 끓어오르거나 얼어붙을 정도의 극심한 온도 변화를 겪을 것으로 추정된다. 놀라운 점은 이 기묘한 세계가 불과 20광년 거리에 있다는 것이다. 지구에서 비교적 가까운 편에 속하기 때문에, 향후 우주망원경으로 더 직접적이고 정밀한 관측이 가능할 것으로 보인다. 언젠가 미래에는 이 행성을 상세히 촬영하고, 특이한 공전 궤도가 몰고 올 극단적인 기후 변동을 추적해볼 수 있게 될지도 모른다. 그렇게 되면 이 행성이 과연 생명체가 살 만한 환경을 갖췄는지, 혹은 실제로 생명체가 존재하는지까지 규명할 수도 있다.
HD 20794는 에리다누스자리 방향에 위치해 있으며, 맨눈으로도 희미하게 볼 수 있을 만큼 밝은 별이다. 외계행성을 거느린 별이 이렇게 밝은 사례는 비교적 드물다. 밝기 덕분에 여러 연구팀이 오랫동안 주목했는데, 그 과정에서 행성이 있을 것이라는 신호가 감지됐다가 거짓 양성으로 판명되는 등 우여곡절도 있었다. 연구자들이 이 별을 관측하는 핵심 방법은 미세한 ‘움직임’을 추적하는 것이다. 행성들이 별 주위를 공전하면서 중력으로 별을 이리저리 끌어당기는 현상을 정밀히 측정하는데, 행성이 작고 공전 궤도가 넓을수록 별이 흔들리는 폭도 작아진다. 예를 들어 HD 20794 d의 영향은 별을 초당 1미터보다도 적게 흔들며, 그 주기 역시 지구시간으로 거의 2년에 달한다. 이런 미세 신호가 실제 행성 때문인지, 아니면 별 자체의 표면 활동이나 관측 장비 오작동 때문인지 확인하는 과정은 수십 년이 걸리는 위험 부담 큰 작업이다.
가장 중요한 돌파구는 관측 자료가 늘어난 것보다는, 관측 노이즈와 행성 신호를 더 정교하게 가려내는 새로운 분석 기법이었다고 연구진은 전했다. 옥스퍼드대학교의 박사후 연구원인 미카엘 크레티니에가 개발을 주도한 YARARA 알고리즘 덕분에, 작년에 처음 제안됐던 HD 20794 d의 존재가 이번 연구로 확실히 입증됐다. 더불어 이미 존재가 알려진 b와 c 행성도 재검증됐고, 2011년에 발표됐던 또 다른 후보 행성은 존재하지 않는 것으로 결론 났다. 이번 연구 공동저자인 제네바대학교 소속 천문학자 자비에 뒤무스크는 “이 새로운 유형의 분석 덕분에 HD 20794 d가 정말로 존재한다는 결론에 도달했다. 이제 우리는 이 행성이 확실히 있다고 자신 있게 말할 수 있다”고 했다. 다만 이 행성의 매력적인 특징들은 아직 베일에 싸여 있다고 연구팀은 덧붙였다.
가령 HD 20794 d의 ‘실제’ 질량조차도 아직은 확실치 않다고 미항공우주국(JPL)의 외계행성 과학자 렌위 후는 말한다. 별의 흔들림을 측정하는 방식은 어디까지나 행성의 ‘최소 질량’만을 알려줄 뿐이다. 그가 지적하듯 “만약 실제 질량이 6.5배 정도라면 대형 암석 행성일 수 있다. 하지만 수소나 헬륨이 가득한 대기로 뒤덮여 있거나, 바다로 둘러싸인 행성일 수도 있다. 아직 이 행성이 진짜 암석형인지 증거가 부족하다.” 캘리포니아공과대학교의 NASA 외계행성과학연구소장이자 천문학자인 제시 크리스천슨 역시 비슷한 문제를 제기한다. 이와 유사한 질량의 외계행성 중 일부는 실제 밀도를 측정해보니 바위가 아니라 두꺼운 가스층을 지닌 것으로 드러난 경우도 많다. 단, 이 행성이 별 앞을 지나가며(트랜짓) 그 실루엣을 지구 관측자에게 보여줘야만 정확한 밀도를 측정할 수 있는데, HD 20794 d는 그럴 가능성이 낮다. 그럼에도 “비록 바위 행성일 확률이 30% 정도라 해도, 충분히 연구해볼 가치는 있다”고 크리스천슨은 말했다.
행성의 구성 물질은 그 생명체 거주 가능성과 직결된다. 인디애나대학교 소속이었던 로런 와이스(현 노트르담대학교 천문학자)는 “생명이 어떤 화학적 과정을 기반으로 한다고 생각한다면, 2차원적인 표면 위에서 펼쳐지는 화학 반응이 (액체나 기체 공간에만 존재할 때보다) 훨씬 빠르다. 따라서 암석 표면이 있는지가 정말 중요하다”고 강조한다. 반면, 뒤무스크는 행성이 불과 얼음이라는 이 극단적인 환경이 꼭 살 수 없는 조건을 의미하지는 않는다고 본다. 특히 행성이 물로 뒤덮인 ‘행성 전체가 바다’ 같은 형태라면 더 그렇다고 말한다. “만약 지구처럼 심해가 존재한다면, 수압이 중대한 역할을 할 수 있다. 물이 얼었다가 다시 액체로 돌아오는 환경일 수도 있고, 사실 지구에선 생명이 심해에서 처음 탄생했다고 알려져 있지 않나”라며 가능성을 시사했다.
이러한 추측은 외계행성 연구에서 반복적으로 나타나는 테마이기도 하다. 나사 JPL의 후는 “외계행성 ‘지구 2.0’을 찾는 과정에서 우리는 행성이 생명체가 살 수 있게 진화하는 방식이 얼마나 다양한지를 계속해서 발견하고 있다”고 말한다. 덕분에 행성 형성과 진화에 대한 인류의 이해도 한층 깊어지고 있다. 그렇다고 이 행성에 대한 연구가 언제까지나 추측 단계에 머무르지는 않을 것이다. 미래에 나사의 생명체 거주 가능 행성 관측선(Habitable Worlds Observatory, HWO)이나 유럽우주국(ESA)의 대형 간섭계 외계행성 탐사 계획(LIFE) 같은 프로젝트가 추진되면, 이런 행성을 ‘실제로 찍어서’ 대기 상태와 표면(혹은 구름층)을 관찰하고 생명체가 존재할 가능성을 보여주는 화학적 신호도 살펴볼 수 있을 것으로 기대된다.
미국과 유럽 우주 당국은 이미 HD 20794 시스템을 향후 이런 프로젝트들의 목표 후보 중 하나로 염두에 두고 있다고 뒤무스크와 후는 전했다. 후는 “아직 [HWO]의 타깃을 선정하는 단계에 있는 것은 아니지만, 후보를 미리 정리하는 움직임은 있다. HD 20794에 잠재적으로 거주 가능할 만한, 게다가 상당 시간 생명 가능 지대에 머무르는 행성이 있다고 판단된다면 당연히 우선순위가 올라갈 것”이라고 했다.
이처럼 지구 2.0을 찾는 여정은 곧 지구 1.0, 즉 우리가 사는 행성을 더 깊이 이해하기 위한 여정과도 맞닿아 있다. 노트르담대학교의 와이스는 “다른 외계행성들을 발견하고 그 환경을 파악하는 건 곧 우리 지구의 기원을 재조명하는 강력한 도구가 된다”며 “태양계가 어떻게 탄생했는지, 그리고 우리가 지금 이 시공간에 존재하게 된 경위를 더 또렷이 깨닫게 해줄 것”이라고 강조했다.