한국항공우주연구원

인류가 막대한 예산을 투입하여 우주탐사를 수행하는 주요한 이유 중의 하나는 인류 이외의 생명체가 우주에 존재하는가에 대한 답을 얻기 위해서다. 여기에는 과학적인 사실뿐만 아니라 종교적, 철학적 내용이 포함되어 있다. 이러한 인류의 궁극적인 지적 호기심을 채우기 위해 미국 나사는 2009년 케플러우주망원경을 발사하였다. 케플러 우주망원경은 우리 은하 내 약 15만개 별의 시간에 대한 밝기 변화를 관찰하는 것이다. 정밀 관측을 통해 2015년 초까지 약 440개의 행성계에서 1,000여개의 행성을 발견하였다. 그리고 이를 근거로 우리 은하에는 지구와 비슷한 크기의 행성이 약 400억 개 존재할 것으로 예측하였다. 물론 이들 행성 전체에 생명체가 존재하지는 않을 것이다. 다만 막연하게 상상하던 외계 생명체의 존재 가능성에 대하여 의미 있는 수를 이용하여 표현 가능하게 되었다는 것은 매우 큰 발전이라고 할 수 있다.

수년간 이어진 케플러우주망원경 관측결과 중에서 본 글에서는 특별히 Kepler-444에 대하여 설명하고자 한다. 다양한 관측 자료를 분석한 결과 행성계를 갖고 있는 별 Kepler-444는 태양보다 훨씬 어둡고 표면 온도는 낮으며 나이는 약 112억년으로 태양 나이(약 46억년)의 2배 이상이다. 즉, 우주 초기에 만들어진 별이다 (우주의 나이는 약 138억년이다). 지구로부터 약 117광년의 거리에 있어서 상대적으로 가깝다 (우리 은하계의 직경은 약 10만 광년이다). 특히, 중원소 함량 (가장 가벼운 원자인 수소와 헬륨을 제외한 모든 원소를 천문학에서 중원소라 칭함)이 태양의 값에 비교해서 약 15% 수준이다. 태양보다 나이가 훨씬 많고 중원소 함량이 적은 별 주변에서 행성을 찾을 수 있는 가는 매우 중요한 내용을 포함하고 있다. 첫째는 행성이 도대체 언제부터 만들어지는 가이다. 만약 행성 형성이 우주초기에도 가능하다면 그만큼 외계 생명체 존재의 가능성이 커지게 된다. 중원소 함량의 크기는 지구형 행성의 존재 유무와 관계한다. 태양계를 살펴보면 암석으로 구성된 지구형 행성(수성, 금성, 지구, 화성)과 지구에 비해 훨씬 크고 무거우며 주로 가스로 이루어진 목성형 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)이 있다. 그리고, 우리는 주로 지구형 행성에서 생명체 존재 유무에 관심이 있다. 이러한 지구형 행성을 구성하는 주요 물질이 중원소라고 할 수 있다. 그러므로 태양에 비해 중원소 함량이 적은 별 주변에서 지구형 행성이 존재하는 가 역시 매우 중요하다.

케플러우주망원경은 트랜짓(transit) 방법을 이용하여 행성을 찾으며 그 원리는 다음과 같다. 별의 밝기는 특별한 상황이 발생하지 않는 한 변하지 않는다. 반면 별 주위를 공전하는 행성이 있는 경우 행성의 크기 및 공전주기에 따라서 별의 밝기는 시간에 따라 변한다. 빛을 내는 것은 별 뿐이며 행성은 별 빛을 반사한다는 것을 감안하면 행성이 별의 앞쪽에 있게 되면 별 빛을 가리게 되므로 별의 밝기가 감소한다(그림 1). Kepler-444의 밝기 변화로부터 천문학자들은 5개의 행성이 존재하고 있으며 각각의 크기 및 공전 주기를 계산했다. 그 결과 Kepler-444 행성계에 속한 5개의 행성은 공전 장반경이 지구의 값에 비해 작고 질량 역시 지구의 질량보다 작다는 것을 알아내었다 (그림 2). 그림 2에서는 비
교를 위하여 태양계의 행성과 그동안 Kepler 미션에서 발견된 대표적인 행성계를 같이 나타냈다. Kepler-444는 태양계 행성뿐만 아니라 여타 케플러 미션이 찾은 행성계에 비해서 매우 다르다는 것을 알 수 있다. 즉, 행성들의 크기 및 질량이 매우 작다는 것이다. 물론 Kepler-444 자체가 태양에 비해 나이가 많고 밝기가 어두운 천체이므로 이에 딸린 행성계도 크기도 작고 질량이 작은 지에 대해서는 더욱 많은 연구를 수행하여야 할 것으로 예상된다. 다만, 케플러 미션, 더 나아가 Kepler-444 행성계 연구를 통하여 전 우주에 서 행성계의 존재 및 외계 생명체의 존재 유무에 대한 새로운 지평을 열게 되었다고 말할 수 있다. 그림 3은 케플러우주망원경 관측 자료의 분석을 토대로 나타낸 Kepler-444와 주변 5개 행성의 모습에 대한 상상도이다.

그림 1. Kepler-444 행성계에 의한 별 빛 세기의 시간에 따른 변화 그림 2. Kepler-444 행성계의 특징과 태양계 행성과의 비교

  그림 3. Kepler-444와 주변 행성계의 공간 배치 상상도

※ 이 글은 미국 나사 홈페이지 (http://www.nasa.gov) 및 천문학 전문 학술지 The Astrophysical Journal에 게재된 내용에 기반을 두어 작성되었다.