"태양 없이도 바다가?"…떠돌이 행성 위성에도 물 존재 가능성 [우주로 간다]

특정 조건 맞으면 외계 위성에 최대 43억 년 간 물 존재 가능

(지디넷코리아=이정현 미디어연구소)별이 없는 떠돌이 행성을 공전하는 위성도 수십억 년 동안 액체 상태의 물이 존재할 만큼 따뜻한 환경을 유지할 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

우주과학 매체 스페이스닷컴은 독일 뮌헨 루트비히 막시밀리안 대학교 데이비드 달뷔딩 연구원이 주도한 연구 결과를 최근 보도했다. 해당 연구는 지난 2월 학술지 ‘영국 왕립천문학회 월간 회보’에 게재됐다.

떠돌이 행성과 그 행성을 도는 지구와 유사한 위성을 표현한 이미지(출처=Dahlbüdding/DALL-E)

연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 목성과 비슷한 떠돌이 행성을 공전하는 지구 크기 위성의 환경을 분석했다. 그 결과 이 위성의 표면 온도가 최대 43억 년 동안 액체 상태의 물이 존재할 수 있을 만큼 따뜻하게 유지될 수 있다는 사실을 확인했다. 이는 지구의 나이와 거의 맞먹는 시간 규모다.

논문의 주저자 달뷔딩 연구원은 성명을 통해 “생명의 요람이 반드시 태양을 필요로 하는 것은 아니다”라고 밝혔다.

떠돌이 행성을 도는 위성에 초점

이번 연구는 외계행성의 자연 위성인 외계위성(exomoon), 특히 떠돌이 행성을 공전하는 위성에 초점을 맞췄다. 천문학자들은 아직 외계위성의 존재를 확실하게 확인하지는 못했지만, 점점 더 많은 간접적인 증거가 축적되면서 첫 외계위성 발견이 머지않았을 가능성이 제기되고 있다.

떠돌이 행성은 초기 행성계가 형성되는 과정에서 나타나는 혼란스러운 중력 상호작용의 부산물이다. 행성들 사이의 강한 중력 작용으로 일부 행성이 모항성을 도는 궤도에서 튕겨 나와 성간 공간으로 방출되면서 형성된다. 최근 연구에 따르면, 이러한 떠돌이 행성은 항성에서 방출된 이후에도 위성을 유지할 가능성이 높은 것으로 나타났다.

다만 이런 격렬한 과정은 위성의 궤도를 크게 변화시켜 행성 주위를 길쭉한 타원 궤도로 공전하도록 만들 수 있다. 위성이 이러한 궤도를 따라 행성에 가까워졌다 멀어졌다를 반복하면 행성의 중력은 위성 내부를 지속적으로 압축하고 변형시킨다.

얼음으로 뒤덮인 토성의 달 엔셀라두스 (사진= NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

우리 태양계에서도 이러한 현상이 관측된다. 예를 들어 목성의 위성 이오에서는 이 과정이 격렬한 화산 활동을 일으키며, 목성 유로파나 토성의 위성 엔셀라두스 같은 얼음 위성에서는 지하 바다가 얼어붙지 않도록 유지하는 역할을 한다.

위성 대기 구성 중요…수소 밀도∙압력 높으면 열 흡수 효과 ↑

‘조석 가열(tidal heating)’이라 불리는 이 과정은 내부 열을 만들어낸다. 연구진에 따르면 이 열은 성간 공간의 극심한 추위 속에서도 액체 상태의 바다가 얼지 않도록 유지할 만큼 강력할 수 있다. 다만 이러한 열이 표면에 얼마나 오래 유지될 수 있는지는 위성의 대기 구성에 크게 좌우된다.

기존 연구에서는 이산화탄소가 충분한 온실 효과를 만들어 위성이 최대 16억 년 동안 거주 가능한 환경을 유지할 수 있다고 제시된 바 있다. 하지만 연구진은 성간 공간의 극한 환경에서는 이산화탄소가 응결하면서 대기가 붕괴되고 열이 빠져나갈 가능성이 있다고 지적했다.

반면 수소는 높은 밀도와 압력 조건에서 다른 방식으로 작용해 시뮬레이션 결과, 수소 분자가 서로 충돌할 때 우주로 방출될 열을 일시적으로 흡수하는 효과가 나타나는 것으로 분석됐다.

이로 인해 수소가 풍부한 대기는 일종의 단열 담요처럼 작용해 내부 열을 효과적으로 가두는 역할을 할 수 있다. 연구진은 이런 조건에서 일부 외계 위성은 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도를 유지하고, 우리가 알고 있는 형태의 생명체가 존재할 수 있는 환경을 최대 43억 년 동안 유지할 가능성이 있다고 설명했다.

연구진은 성명을 통해 “이번 발견은 생명체가 존재할 수 있는 환경의 범위를 크게 확장할 수 있음을 보여준다”며, “은하계의 가장 어두운 곳에서도 생명체가 탄생하고 지속될 수 있을 가능성을 시사한다”고 밝혔다.

이정현 미디어연구소(jh7253@zdnet.co.kr)