생명의 재료는 우주 전체에 퍼져 있다. 지구는 우주에서 생명체가 있는 유일한 곳으로 알려져 있지만 지구 너머의 생명체를 감지하는 것은 현대 천문학과 행성 과학의 주요 목표이다.

우리는 외계행성과 우주생물학을 연구하는 두 명의 과학자이다. 제임스 웹(James Webb)과 같은 차세대 망원경 덕분에 우리와 같은 연구원들은 곧 다른 별 주위의 행성 대기의 화학적 구성을 측정할 수 있게 될 것이다. 희망은 이 행성들 중 하나 이상이 생명의 화학적 특징을 가질 것이라는 것이다.

거주 가능한 외계행성

생명체는 화성의 지하 대수층이나 목성의 위성 유로파의 바다와 같이 액체 상태의 물이 있는 태양계에 존재할 수 있다. 그러나 이러한 장소에서 생명체를 찾는 것은 매우 어렵다. 도달하기 어렵고 생명체를 감지하려면 물리적 샘플을 반환하기 위해 프로브를 보내야 하기 때문이다.

많은 천문학자들은 다른 별을 도는 행성에 생명체가 존재할 가능성이 높다고 믿고 있으며, 그곳에서 생명체가 처음 발견될 가능성이 있다.

이론적 계산에 따르면 우리 은하만 해도 약 3억 개의 잠재적으로 거주 가능한 행성이 있으며 지구에서 불과 30광년 이내에 거주 가능한 지구 크기의 여러 행성이 있다. 본질적으로 인류의 은하계 이웃이다. 지금까지 천문학자들은 행성이 근처 별에 미치는 영향을 측정하는 간접적인 방법을 사용하여 잠재적으로 거주할 수 있는 수백 개의 외계행성을 포함하여 5,000개 이상의 외계행성을 발견했다. 이러한 측정은 천문학자들에게 외계행성의 질량과 크기에 대한 정보를 제공할 수 있지만 그 외에는 그다지 많지 않다.

생체 서명 찾기

먼 행성의 생명체를 탐지하기 위해 우주생물학자들은 행성의 표면이나 대기와 상호작용하는 별빛을 연구할 것이다. 대기 또는 표면이 생명체에 의해 변형된 경우 빛은 생체 신호라고 하는 단서를 전달할 수 있다.

존재의 전반부 동안 지구는 단순한 단세포 생명체가 있었음에도 불구하고 산소가 없는 대기를 자랑했다. 지구의 생체특징은 이 초기 시대에 매우 희미했다. 그것은 24억 년 전 새로운 조류 과가 진화했을 때 갑자기 바뀌었다. 조류는 다른 원소와 화학적으로 결합되지 않은 자유 산소를 생성하는 광합성 과정을 사용했다. 그때부터 지구의 산소로 가득 찬 대기는 통과하는 빛에 강력하고 쉽게 감지할 수 있는 생체 신호를 남겼다.

빛이 물질의 표면에서 반사되거나 가스를 통과할 때 빛의 특정 파장은 다른 파장보다 가스나 물질의 표면에 갇힌 채로 남아 있을 가능성이 더 크다. 빛의 파장을 선택적으로 트래핑하기 때문에 물체의 색상이 다르다. 엽록소가 특히 빨간색과 파란색 파장의 빛을 잘 흡수하기 때문에 잎이 녹색이다. 빛이 나뭇잎에 닿으면 빨간색과 파란색 파장이 흡수되어 대부분의 녹색 빛이 눈으로 되돌아온다.

누락된 빛의 패턴은 빛이 상호 작용하는 재료의 특정 구성에 따라 결정된다. 이 때문에 천문학자들은 본질적으로 행성에서 오는 특정한 빛의 색을 측정함으로써 외계행성의 대기나 표면의 구성에 대해 뭔가를 배울 수 있다.

이 방법은 산소나 메탄과 같은 생명과 관련된 특정 대기 가스의 존재를 인식하는 데 사용할 수 있다. 이러한 가스는 빛에 매우 특정한 신호를 남기기 때문이다. 또한 행성 표면의 독특한 색상을 감지하는 데 사용할 수도 있다. 예를 들어, 지구에서 엽록소 및 기타 색소 식물과 광합성에 사용되는 조류는 특정 파장의 빛을 포착한다. 이 안료는 민감한 적외선 카메라를 사용하여 감지할 수 있는 특징적인 색상을 생성한다. 이 색이 먼 행성의 표면에 반사되는 것을 본다면 잠재적으로 엽록소의 존재를 의미할 수 있다.

우주와 지구의 망원경

잠재적으로 거주할 수 있는 외계행성에서 오는 빛에 대한 이러한 미묘한 변화를 감지하려면 믿을 수 없을 정도로 강력한 망원경이 필요하다. 현재로서는 그러한 위업이 가능한 유일한 망원경은 새로운 제임스 웹(James Webb) 우주 망원경이다. 2022년 7월 과학 활동을 시작하면서 제임스 웹 은 거대한 가스 외행성 WASP-96b의 스펙트럼을 읽었다. 스펙트럼은 물과 구름의 존재를 보여주었지만, WASP-96b만큼 크고 뜨거운 행성은 생명체를 수용할 것 같지 않다.

그러나 이 초기 데이터는 제임스 웹이 외계행성에서 오는 빛에서 희미한 화학 신호를 감지할 수 있음을 보여준다. 앞으로 몇 달 안에 제임스 웹은 지구에서 불과 39광년 떨어진 곳에 거주할 수 있는 지구 크기의 행성인 TRAPPIST-1e를 향해 거울을 돌릴 예정이다.

제임스 웹은 행성이 호스트 항성 앞을 지나갈 때 행성을 연구하고 행성의 대기를 통과하는 별빛을 포착하여 생체 신호를 찾을 수 있다. 그러나 웹은 생명체를 찾도록 설계되지 않았으므로 망원경은 잠재적으로 거주할 수 있는 가장 가까운 세계 중 일부만 조사할 수 있다. 또한 이산화탄소, 메탄 및 수증기의 대기 수준 변화만 감지할 수 있다. 이러한 가스의 특정 조합은 생명을 암시할 수 있지만 웹은 생명에 대한 가장 강력한 신호인 결합되지 않은 산소의 존재를 감지할 수 없다.

미래를 위한 선도적인 개념, 훨씬 더 강력한 우주 망원경에는 행성에서 반사된 별빛을 드러내기 위해 행성의 호스트 별의 밝은 빛을 차단하는 계획이 포함된다. 이 아이디어는 멀리 있는 것을 더 잘 보기 위해 손으로 햇빛을 차단하는 것과 비슷하다. 미래의 우주 망원경은 작은 내부 마스크나 큰 외부의 우산 같은 우주선을 사용하여 이를 수행할 수 있다. 별빛이 차단되면 행성에서 반사되는 빛을 연구하는 것이 훨씬 쉬워진다.

또한 생체 서명을 검색할 수 있는 거대한 지상 기반 망원경 3개가 현재 건설 중이다. 거대 마젤렌 망원경, 30미터 망원경 및 유럽 초대형 망원경이다. 각각은 지구에 존재하는 기존 망원경보다 훨씬 강력하며, 지구 대기가 별빛을 왜곡한다는 핸디캡에도 불구하고 이 망원경은 가장 가까운 행성의 대기에서 산소를 조사할 수 있다.

생물학인가 지질학인가?

앞으로 수십 년 동안 가장 강력한 망원경을 사용하더라도 우주생물학자들은 생명체에 의해 완전히 변형된 세계에서 생성된 강력한 생체 특징만을 탐지할 수 있을 것이다.

불행히도, 육상 생물이 방출하는 대부분의 가스는 비생물학적 과정에서도 생성될 수 있다. 소와 화산은 모두 메탄을 방출한다. 광합성은 산소를 생성하지만 햇빛도 물 분자를 산소와 수소로 분해할 때 생성한다. 천문학자들이 먼 생명체를 찾을 때 오 탐지를 발견할 가능성이 높다. 가양성을 배제하기 위해 천문학자들은 관심 있는 행성의 지질학적 또는 대기 과정이 생체특징을 모방할 수 있는지 여부를 이해할 수 있을 만큼 충분히 이해해야 한다.

차세대 외계행성 연구는 생명체의 존재를 증명하는 데 필요한 놀라운 증거의 기준을 통과할 가능성이 있다. 제임스 웹 우주 망원경에서 공개된 첫 번째 데이터는 곧 다가올 흥미진진한 발전에 대한 감각을 제공한다.

이미지 출처: NASA/JPL-Caltech/Wikimedia Commons