[우주] 생명체가 존재할 가능성이 있는 위성들

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[우주여행시간] 광속 50% 속도의 우주선에 탑승했을 경우 : http://flyturtlestudio.tistory.com/446

달의 자리에 다른 행성이 온다면? (목성공포증&우주공포증) : http://flyturtlestudio.tistory.com/886

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1. 생명체가 존재하려면?

현재 과학자들은 생명체가 존재하기 위해선 몇가지 조건들이 있어야한다고 입을 모으고있어. 그 조건들이란 액체상태의 물, 궤도 안정성, 대기의 유무, 조석효과, 자전축의 기울기 그리고 온도가 대표적이야. 이러한 조건들은 우리들의 터전인 지구를 기준으로 한거야. 그러면 각각에 대해 간단히 알아보자.

액체상태의 물 : 이 조건은 현재 외계생물학자들이 입을모으고 말하는 생명체의 존재유무를 결정하는 중요한 조건 중 하나야. 이번에 소개시켜주려는 태양계의 위성들도 이 액체상태의 물이 지하에 있다고 추측되는 것들이 대부분이기도하지. 

궤도 안정성 : 이 궤도안정성이란 자전주기와 공전주기를 가지고 설명하는데, 안정적인 궤도를 가지고 있다는 것은 자전주기가 공전주기의 1/9보다 작다는 얘기야. 예를들어 공전주기가 90일인 어떤 천체가 있다고 하면 자전주기는 최대 10일보다 작아야 생명체가 안정적인 형태로 존재할 수 있다고해. 왜냐하면 자전주기가 공전주기만큼 길어지거나 더 길다면 한쪽은 열에너지를 엄청나게 받고 한쪽은 엄청 뺏기는 에너지격차가 매우 심하게 일어나기 때문이야. 저번에 소개한 글리제 581 항성계의 경우, 이 에너지격차가 매우 커서 대기가 있는 암석질의 행성이라고해도 대기가 한쪽은 매우 뜨겁게 달궈지고 한쪽은 너무 차가워져서 뜨거운곳에서 차가운곳으로 매우 극심한 바람이 부는데, 격차가 크면클수록 이 바람의 세기도 엄청 세지지. 그만큼 생명체가 적응하기 힘들어진다는거야.

대기 : 대기의 유무도 필수조건 중 하나로, 대기가 없으면 생명체가 숨쉬면서 에너지를 만들어 낼 수 없기 때문에 존재할 수 없게돼. 

조석효과 : 조석효과란 대부분의 천체에서 나타나는 현상으로 이는 거의 모든천체는 타원궤도를 돌고있기 때문에 나타나는 현상이야. 즉 근일점과 원일점의 중력차이로 인해 행성내부가 쥐어짜지는거지. 이는 내부물질을 달궈 표면위로 분출시키고 이는 유기물질을 만들어낼 수 있게 하는 환경을 조성하게 돼. 조석효과는 있어도되고 없어도되지만 있으면 생명체의 존재가능성이 약간이라도 높아지겠지.

자전축의 기울기 : 자전축의 기울기도 매우 중요한 역할을 하는데, 너무 기울지만 않으면 돼. 아주 극단적인 경우로 천왕성의 자전축 기울기를 들 수 있는데, 천왕성의 자전축은 황도면과 거의 나란해서 비록 16시간을 주기로 자전하지만 실제 이 행성의 낮과 밤은 84년주기로 바뀌어. 이렇게 극단적으로 자전축이 기울어져있으면 위에서 언급한 궤도안정성과 겹치기 때문에 생명체들은 적응하기 힘들어지지.

온도 : 이 온도는 액체상태의 물이 존재하기 위한 온도정도로, 너무 낮지만 않으면 돼. 

이제 우리 태양계에 학자들이 생명체가 살고있으리라고 추정하는 위성들을 위의 조건에 맞춰 살펴보도록 하자.

2. 여러 후보들

유로파(Europa) - 목성의 위성

유로파는 많이 알다시피 목성의 4대위성중 하나로, 4대위성중 가장 작은위성이야. 목성을 중심으로 3일 12시간을 주기로 공전하고있어. 유로파는 거의 원에가까운 궤도를 돌고있기 때문에 위의 조석효과는 그렇게 크게 나타나지 않아. 그리고 자전축도 거의 황도면에 수직하지. 하지만 목성에 제법 가까이서 돌고있기 때문에 자전은 거의 멈춘상태야. 목성에서 보면 항상 같은면만 보이지. 하지만 최근의 연구는 유로파 자체도 이 목성의 강한 중력에 저항을하고있는것같다고 보고했어. 목성중력을 이겨내 스스로 자전을 하려고 몸부린 친 흔적이 남아있다고해. 바로 유로파 표면에 있는 메론표면과 같은 줄무늬들이 그 증거인데, 현재도 진행중이며 이러한 저항은 내부로부터 열을 만들어낸다고해. 

유로파는 현재 표면밑 지하에서 엄청난 양의 물이 액체상태로 존재할거라고 추측되고있어. 그 물의 깊이만 무려 100km에 달하며, 그 물 위로 수km정도 두꺼운 얼음층이 형성되어있다고 여겨지고있어. 이러한 증거는 최근 갈릴레오호에서 포착된 유로파의 유도자기장 때문인데, 마치 물리에서 나오는 상호유도처럼 유로파의 약간 타원형의 궤도 때문에 목성 자기장이 변해 유로파 자체에서 그 변화를 억제하는 만큼의 유도자기장이 형성되었다는거지.

이 유도자기장의 존재로 표면밑에 거대한 층의 무언가가 있을거라고 예측할 수 있게 되었고 학자들은 그걸 물이라고 여기고있는거야. 이 액체 물은 유로파의 타원궤도로 인한 조석력 차이때문에 발생하는 열로 존재하리라고 생각하고있어. 표면온도가 영하 100도이하이지만 액체상태의 물이 있는 이유가 바로 이거지. 유로파에도 대기가 있다는 증거가 최근 포착되었는데, 확인해본 결과 매우 희박한 대기이며 대기압은 고작 0.1 μPa, 지구의 1조분의 1수준이라고하지. 이 대기의 주성분은 산소로 여겨지고 있으며 이 산소기체는 생명체로부터 생성된 것이 아닌 태양으로부터 오는 약한 하전입자와 목성에서 나오는 방사성 입자에 의해 표면 얼음이 자체적으로 분해되서 생긴거라고해.

과학자들은 이러한 물리적 성질을 바탕으로 이 유로파야 말로 태양계에 존재하는 천체 중 지구를 제외하고 가장 탑에 드는 천체 중 하나라고 말하고있어. 생명체들은 아마 두꺼운 얼음층 밑에 존재하는 따스한 액체물에서 살고있을거라 추측하고있지.

엔셀라두스(Enceladus) - 토성의 위성

엔셀라두스는 토성의 위성중에서 6번째로 큰 위성이지만 그 반지름은 고작 250km밖에 안되는 작은 위성이야. 영국만한 크기이지.

목성의 유로파와 마찬가지로 표면 밑에 액체상태의 물이 존재하리라고 여겨지는 위성 중 하나이지. 이러한 추측은 엔셀라두스에서 최근 발견된 '얼음화산'때문인데, 이 얼음화산에서 나오는 물질을 스펙트럼으로 분석해본 결과 주성분이 물로 밝혀졌어. 얼음화산에서 분출되는 물은 나오자마자 바로 얼어서 엔셀라두스의 중력을 탈출해 토성의 고리를 만드는 재료로도 쓰이지. 

엔셀라두스는 토성의 E고리에 위치한 위성으로 토성 표면으로부터 약 18만km를 떨어져서 토성주위를 고작 1일 10시간만에 돌아버리지. 궤도 이심률은 꽤나 높기 때문에 조석력도 크게 작용하는 편이야. 그래서 내부는 뜨뜻하게 가열되어있지. 유로파와 마찬가지로 모행성과 가깝기 때문에 자전도 거의 멈춘 상태야. 표면온도는 대략 영하 200도정도로 추정하고 있고 표면의 대부분은 얼음형태의 물로 이루어졌을거라고해.

유로파와 마찬가지로 자전축은 황도면에 수직해. 위에서 말한 얼음화산의 존재 때문에 엔셀라두스에도 약하지만 대기가 존재하리라고 추정하고 있는데, 얼음화산이 존재하는 엔셀라두스의 남극에 몰려있을거라고해. 하지만 대기압은 너무 유동적이고 구분이 모호하기 때문에 아직까지 정확하게 어느정도로 분포해있는지는 미정인 상태야. 얼마전 이 엔셀라두스의 얼음화산에서 암모니아가 확인되었는데, 이는 지하에 액체상태의 물과 소량의 암모니아가 있다는걸 알려주지. 

현재 과학자들은 이 엔셀라두스의 지하에도 생명체가 존재하리라고 믿고있어. 특히 남극부분은 화산활동이 어느정도 빈번하게 일어나기 때문에 생명체 존재의 가능성은 더욱 높아지고있지.

타이탄(Titan) - 토성의 위성

타이탄은 저번에 소개한 토성의 위성 중 가장 큰 위성으로 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성이야. 가니메데, 칼리스토, 타이탄 등의 위성은 수성보다 더 크지. 자전축은 황도면에 수직하며 표면온도는 매우 낮아서 섭씨 약 영하 180이하로 예측하고있어. 하지만 타이탄에는 다른위성들과는 다르게 아주 두터운 대기를 가지고 있어. 표면 대기압은 약 146kPa로, 이는 지구대기압의 거의 1.5배정도 되는 수준이야. 타이탄의 대기는 98퍼센트의 질소와 1퍼센트의 암모니아, 그리고 1퍼센트정도의 수소가 포함되어있어. 대다수의 가스행성의 위성이나 지구의 달처럼 타이탄도 자전주기와 공전주기가 같은 위성이야. 

대략 15.2일을 주기로 토성주위를 돌고있지. 타이탄의 밀도는 1.8g/cm3로 비교적 낮은 밀도때문에 학자들은 타이탄이 얼음과 암석의 혼합체라고들 말하지. 타이탄의 궤도는 토성의 자기장이 미치는 범위 내에 있기 때문에 태양풍으로부터 안전하게 보호받을 수 있다고해. 몇년 전 카시니탐사선은 위성 타이탄에 탐사로봇을 보냈는데, 탐사로봇이 분석한 결과 얼음과 함께 다량의 액체상태의 암모니아가 발견됐어. 

거기에 메탄과 에탄등의 성분들도 많이 검출됐지. 이런 유기물들이 많이 검출돼서 타이탄에는 생명체가 살 수 있지 않을까 하는 가능성이 제기된적도 수차례 있었지. 타이탄의 궤도이심률은 꽤나 높아서 토성으로부터 받는 조석력차이가 좀 심하다고해. 그래서 표면내부에는 액체상태의 물이 있을것이라는 가능성도 제기되었지.

타이탄의 대기성분은 원시지구와 매우 흡사하기 때문에 타이탄의 변화는 생명의 탄생이 어떠한 과정으로 이루어졌는지를 알아볼 수 있는 중요한 테스트 케이스(Test Case)라고해. 몇몇 학자들은 만약 타이탄에 생명체가 살고있다면 표면에 풍부한 메탄과 대기중의 수소를 결합시켜 글루코오스 대신 아세틸렌을 만들며 에너지를 얻을것이라고 믿고있어. 물의 경우 다른 유기물들을 잘 녹이는 매우 유용한 용매임과 동시에 '수화'를 통해 유기물을 파괴시키는 양날의 검을가진 물질이야. 대신 탄화수소는 유용한 용매가 될 수는 있지만 유기물을 파괴시키는 일은 물보다 덜할거라고해. 그러니 아무래도 타이탄에서는 지구에서와같은 위험요소가 없기때문에 살아가는데 더 용이할것 같아.

칼리스토(Callisto) - 목성의 위성

칼리스토는 목성의 4대위성 중 가니메데 다음으로 큰 위성으로, 지름이 달의 1.4배에 육박하는 커다란 녀석이야. 목성으로부터 약 180만km 떨어져서 목성을 17일을 주기로 돌고있어. 자전축은 마찬가지로 황도면에 수직하고, 목성 적도면에 약 0.2도정도 기울어져있는데, 이러한 기울기 때문에 목성중력과 태양중력에 영향을 받아 자전축은 0.4도에서 최대 1.6도까지 변할수 있다고해. 

칼리스토의 경우에도 목성의 강력한 중력에 자전이 멈춘 상태로, 달과 같은 운동을하지. 표면온도는 약 영하 110도 정도로, 이때문에 표면은 대부분 얼어붙은 상태이지. 칼리스토의 밀도는 타이탄과 비슷해서 학자들은 타이탄과 마찬가지로 물과 암석이 절반절반 섞인 혼합체라고 보고있어. 칼리스토에는 물에서 확인할 수 있는 적외선이 방출되는데, 이때문에 학자들은 칼리스토에는 물이 어디에나 존재하는(ubiquitous)흔한 물질일거라고 보고있어. 게다가 칼리스토에서 나오는 전자기파를 분석하면 물 이외에도 많은 물질들이 검출되는데, 마그네슘, 철, 규소, 이산화탄소, 아황산, 그리고 암모니아 등 다양한 유기물들이 검출돼.

이는 다시말하면 칼리스토의 표면은 매우 더럽다는거겠지. 각종 유기물들로 들어차있는거니깐. 게다가 칼리스토는 목성으로부터 약간 멀리떨어져있지만 유로파와 같은 원리로 유도자기장이 있어서 태양으로부터의 하전입자도 적고 목성자기장에 의해 방출되는 하전입자도 유로파에 비해 1/300 수준이라고하지. 이는 하루에 약 0.1 밀리시버트의 방사능을 받는 정도로, 이 정도의 방사능은 우리가 병원에 가서 엑스레이 한번 찍을 때 피폭되는 방사선 양과 동일한 수준이야. 다만 칼리스토에서 살게되면 매일 엑스선을 찍어야하는 부담감이 있지.

칼리스토에도 대기가 존재하긴 하는데, 유로파정도 수준의 대기압정도로, 주성분은 이산화탄소와 산소라고해. 이러한 칼리스토의 물리적 성질때문에 학자들은 마찬가지로 생명체 존재가능성을 제기했는데, 이 칼리스토에는 존재가능성이 비교적 낮을 거라고해. 목성과 멀리떨어져있기 때문에 타원궤도를 돌고있다고해도 조석력차이로인한 내부열이 그렇게 크게 발생하지 않거든. 

트리톤(Triton) - 해왕성의 위성

사실 이 위성의 경우 표면온도가 매우 낮아서 (영하 약 230도) 표면에 생명체가 살 가능성은 매우 적을거야. 하지만 트리톤의 경우는 해왕성에 점점 가까이 다가가는 위성이기 때문에 언젠가는 내부도 조석력에 의해 따뜻해질거라고해. 그렇게되면 트리톤이 박살나기 전까지는 생명체가 살지도 모르지.

트리톤은 해왕성으로부터 약 35만km를 떨어져서 6일에 한번 해왕성 주위를 돌지. 해왕성의 중력은 비교적 약해서 트리톤은 해왕성의 중력에 비교적 자유로운 위성인데, 그래서 자전주기는 약 5.2일정도로 공전주기보다 약간 빠르지. 표면온도는 매우 낮지만 대기압은 유로파나 칼리스토보다 커서 약 1.4~1.9Pa정도로 예상하고있어. 그래봤자 지구의 1/70000이라서 그렇게 높은 대기압은 아니야. 

트리톤의 표면은 50프로이상의 고체 질소와 30퍼센트정도의 얼음으로 구성되어있어. 해왕성과 제법 가까운 탓에 지질활동도 일어나는데, 대표적으로 토성의 엔셀라두스와 비슷한 얼음화산류야. 주성분은 질소로 구성되어있으며 트리톤의 중력이 매우 약한 탓에 한번 뿜어져나오면 150km상공까지 치솟는다고해. 트리톤에는 아직 자기장이 확인되지 않은 상태야. 그래도 어느정도는 해왕성의 자기장 내부에 있기 때문에 보호가 되지. 웃긴건 이러한 자기장과 태양 때문에 표면온도보다 오히려 대기 상층부의 온도가 40도정도 높다고하지.

3. 마치며

위에 소개한 다섯 개의 위성 외에도 이오, 가니메데, 그리고 명왕성의 위성 카론 등도 생명체 존재가능성이 어느정도 있다고 학자들은 생각하고있어. 다만 이번에 소개한 위성보다 그렇게 가능성이 높은 게 아니라고해. 위의 위성들은 모두 가스행성의 위성들 즉 태양으로부터 매우 멀리떨어져있기 때문에 표면온도가 영하 70도 이하인 경우인데, 이러한 위성들의 경우 수십억년 후에는 사람이 살 정도로 따뜻해질거야. 지금으로부터 약 50억년 후 태양이 부풀어올라 적색거성이 된다면 최소 금성궤도에서 최대 화성궤도까지 태양이 부풀기 때문에 그만큼 위성들도 태양의 열에 덥혀져서 액체상태의 물이 표면으로 드러나겠지. 그때가 되면 아마 위에 언급한 다섯개의 위성에는 이미 전진기지가 만들어져 있어서 자원을 퍼나르고 있을지도 모르겠다.

출처:

http://en.wikipedia.org/wiki/Natural_satellite_habitability

http://me2.do/GI16ZliP