[아하! 우주] 태양이 죽으면..작고 단단한 행성이 오래 살아남는다
입력 2019.05.18. 10:31 수정 2019.05.18.
[서울신문 나우뉴스]
영원히 빛날 것 같은 태양도 정해진 수명이 있다. 대략 50억년 후에는 태양은 적색거성으로 부풀어 오른 후 중심부 핵연료가 고갈되어 최후를 맞이한다. 중심부는 뭉쳐서 백색왜성이라는 작은 천체를 남기고 나머지 가스는 우주로 흩어지게 되는데, 이 과정에서 수성이나 금성처럼 태양에 가까운 행성은 흡수되어 파괴될 가능성이 높다. 다만 어떤 행성이 살아남고 어떤 행성은 결국 파괴되는지에 대해서는 아직도 모르는 부분이 있다.
영국 워릭 대학교 디미트리 베라스 박사와 그 동료들은 시뮬레이션을 통해 어떤 행성이 백색왜성 주변에서 생존할 가능성이 높은지 연구했다. 적색거성 단계에서 살아남은 행성이라도 죽은 별이 주변으로 가스를 방출하면서 질량을 잃는 과정에서 궤도가 변할 수 있다. 만약 이 궤도가 백색왜성에 너무 가까우면 백색왜성의 중력에 의해 파괴될 위험성이 커진다. 이렇게 파괴된 행성은 백색왜성 주변에 고리 모양의 파편을 만든다.(사진) 이는 지구에서도 관측이 가능하다.
연구팀의 모델에 따르면 공전 궤도 이외에 질량과 크기, 그리고 구성 성분이 행성의 생존에 큰 영향을 미친다. 행성이 클수록 백색왜성에서 가까운 부분과 먼 부분의 중력 차이가 커지며 이로 인해 행성이 파괴될 가능성이 커진다. 반면에 행성이 단단하고 균일한 구조일수록 쉽게 파괴되지 않는다. 따라서 작고 단단한 암석 행성이 백색왜성 주변에서 생존할 가능성이 가장 높다. 예를 들면 같은 궤도라도 지구형 행성이 목성형 행성보다 생존 가능성이 크다. 균일한 내부 구조를 지닌 단단한 암석 행성의 경우 수성 궤도의 1/3 정도 안쪽 궤도에서도 살아남을 수 있다.
먼 훗날 태양이 죽고 난 후 남은 백색왜성 주변에는 어둡고 차가운 우주에서 영겁의 세월을 공전하는 행성 몇 개만 남게 될 것이다. 여기에 지구가 포함될지에 대해서는 아직 논쟁이 있지만, 과학자들은 백색왜성 주변 행성계에 대한 관측과 이론적 모델 연구를 통해 지구와 태양계 다른 행성의 운명을 알아내기 위해 노력하고 있다.
고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com
[아하! 우주] 지구만한 크기의 외계행성 18개 무더기 발견
박종익 입력 2019.05.23. 16:56 수정 2019.05.23.
[서울신문 나우뉴스]
태양계 너무 외계에서 지구만한 크기의 행성 18개가 무더기로 발견됐다.
최근 독일 막스플랑크 연구소 등 공동연구팀은 지구보다 69% 작은 것부터 2배 정도 큰 사이즈까지 외계행성 18개를 발견했다는 연구결과를 ‘천문학 & 천체 물리학 저널’(the journal Astronomy & Astrophysics)에 발표했다.
지구만한 크기의 외계행성을 찾는 것은 생명체 존재 가능성이 있는 '슈퍼지구'를 찾는다는 점에서 의미가 있지만 이를 발견하는 것은 어렵다. 지금까지 천문학자들이 발견한 외계행성은 4000개 이상이지만 이중 96%는 지구보다 크다. 특히 그중 대다수는 태양계의 큰형님 목성이나 해왕성 만하다. 그러나 이는 실제 우주에 목성처럼 큰 행성이 대다수라는 것을 의미하지는 않는다. 지구와 같은 행성은 매우 작아 아직 발견하지 못했기 때문이다.
이번에 발견된 18개의 외계행성 중 지구보다 작은 것은 총 3개로 가장 작은 행성은 지구 사이즈의 69% 정도다. 특히 한 행성에는 지표면에 물이 존재할 가능성이 있다는 것이 연구팀의 설명이다.
흥미로운 점은 연구팀이 지난해 퇴역한 미 항공우주국(NASA)의 케플러우주망원경의 데이터를 재분석해 이같은 결과를 얻었다는 사실이다. 기존에 쓰던 케플러의 데이터에서 행성을 찾는 방식을 발전시켜 새로운 방법을 고안한 것. 학자들이 수많은 별들 속에서 외계행성을 찾을 수 있는 이유는 식현상(transit)을 이용하기 때문이다. 행성이 별 앞으로 지날 때 별의 밝기가 감소하는 것을 포착해서 행성의 존재 유무를 확인하는 것이다.
그러나 막스플랑크 연구소는 이와같은 기본 원리를 적용했지만 식현상의 갑작스러운 변화를 찾기보다는 더 점진적인 조명과 밝기를 고려해 작은 행성의 존재 유무를 확인했다. 논문의 제1 저자인 르네 헬러 박사는 "기존에 사용해온 표준 검색 알고리즘은 밝기의 갑작스러운 변화를 확인한다"면서 "이 때문에 큰 행성들의 경우 밝기의 급격한 하락을 보여주며 그 존재를 분명하게 알려준다"고 설명했다.
이어 "지난 2014년 부터 2018년 사이 얻어진 케플러의 데이터를 재분석했으며 이 기간 중 적어도 하나의 행성을 가진 517개의 별을 식별했다"면서 "향후 케플러의 후계자인 차세대 ‘행성 사냥꾼’ 테스(TESS)가 우주에 숨겨진 지구와 같은 행성을 더 많이 찾아낼 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
박종익 기자 pji@seoul.co.kr
[아하! 우주] '유랑지구'는 가능할까? - 지구를 다른 곳으로 옮기는 몇가지 방법
입력 2019.05.28. 10:41
[서울신문 나우뉴스]
지구 행성을 옮길 수 있는 방법을 소개하는 한 전문가의 칼럼이 26일(현지시간) 우주전문 사이트 스페이스닷컴에 소개되었다. 필자는 영국 글래스고 대학 우주항공공학 마테오 세리오티 교수로, 칼럼의 내용을 요약해 소개한다.
최근 넷플릭스에 개봉된 중국 SF영화 ‘유랑지구’(The Wandering Earth)의 줄거리는 인류가 거대한 추진기를 사용하여 팽창하는 태양을 피해 지구의 궤도를 바꾸고 목성과의 충돌을 막으려는 시도를 한다는 내용이다. 언젠가는 이런 시나리오가 실현될지도 모른다. 50억 년 안에 태양은 연료가 바닥나고 팽창을 시작할 것이며, 부풀어오른 태양은 아마도 지구를 삼켜버릴 것이다. 그보다 훨씬 이전에 닥칠 위협은 지구 온난화로 인한 파국이다. 이를 피하기 위해 지구를 태양으로부터 더 먼 궤도로 이동시키는 것은 이론상 가능한 해결책이 될 수 있다.
하지만 어떻게 하면 지구를 움직일 수 있고, 그러기 위해 공학적인 측면에서 해결해야 할 과제는 무엇일까? 보다 쉬운 이해를 위해, 우리가 태양으로부터 50% 더 먼 궤도, 곧 화성에 가까운 곳으로 지구를 이동시킨다고 가정하자.
우리는 지난 수년 동안 지구와의 충돌 궤도에 있는 소행성을 이동시키는 기술을 고안해왔다. 그 중에는 파괴적인 방법, 곧 소행성 근처나 표면에서 핵폭발을 일으키거나, 우주선 같은 것을 고속 충돌시키는 방법 등이 포함되어 있다. 그러나 지구에 이같은 파괴적인 방법을 적용할 수는 없는 일이므로 이런 것들은 일단 제외된다.
다른 기법으로는 소행성의 표면에 예인선을 도킹시키거나, 중력이나 다른 방법을 통해 추진되는 우주선을 소행성 근처에 맴돌게 함으로써 궤도를 바꾸는 비교적 온건한 방법들이 있을 수 있다. 그러나 이 같은 방법 역시 지구에 적용하기는 무리이다. 왜냐하면 지구의 질량이 소행성에 비해 엄청나게 크기 때문이다.
전기 추진체
사실 우리는 이미 지구를 궤도에서 움직이고 있다. 탐사선이 다른 행성을 향해 지구를 떠날 때마다 로켓 발사력의 반작용으로 지구를 반대 방향으로 밀쳐낸다. 하지만 이 같은 반작용을 지구를 움직일 목적으로 사용하기에는 너무나 작기 때문에 고려 대상이 될 수가 없다.
스페이스X의 팰컨 헤비 로켓은 현재 가장 강력한 발사체이다. 하지만 지구를 화성 궤도까지 옮기려면 이런 로켓 3000억 개를 동시에 발사시켜야 한다는 계산서가 나와 있다. 이 모든 로켓을 구성하는 물질은 지구 질량의 85%에 해당하므로 결국 화성 궤도까지 가는 지구는 15%만 남게 된다.
이에 비해 전기 추진체는 질량을 가속하는 데 훨씬 더 효율적인 방법이다. 이온 추진체는 하전된 입자의 흐름을 발사하여 우주선을 추진시킨다. 이것을 지구 궤도의 반대 방향으로 발사하여 지구를 움직인다고 상정할 경우, 이온 추진체의 크기는 해발 1,000km나 되어야 하며, 강력한 버팀대로 지구 표면에 부착되어 추진력을 전달해야 한다. 이 방법으로 지구를 화성 궤도에까지 옮기는 데는 지구 질량의 13%나 되는 이온을 초당 40km로 발사해야 하고, 그 결과 지구는 87%만이 이동할 수 있게 된다.
빛을 이용한 추진력
빛은 에너지를 갖지만 질량이 없기 때문에 레이저와 같은 집중적 광선에 지속적으로 동력을 공급할 수 있다. 필요한 동력은 태양으로부터 수집되므로, 지구 질량이 줄어들지는 않는다. 태양계에서 가까운 별을 탐사하기 위한 ‘브레이크스루 스타샷’(Breakthrough Starshot) 프로젝트에서 우주선을 추진할 목적으로 계획된 엄청난 100GW 레이저 공장을 사용하더라도, 지구를 화성 궤도까지 옮기려면 무려 300억 년 동안 레이저를 연속 발사해야 한다.
태양 돛을 사용하는 것도 한 방법이 될 수 있다. 돛이 바람을 받아 배가 나아가듯, 태양 돛은 태양의 빛을 모아 생기는 광압의 힘을 빌려 추진력을 얻는 방법이다. 실제 우주선에 적용된 기술이기도 하다. 그러니 이 방법으로도 지구를 움직이는 데는 지구 지름보다 19배나 큰 반사 디스크로 10억 년 넘게 지구를 쬐어주어야 한다는 계산서를 연구자들이 뽑아냈다.
행성 간 당구치기
두 개의 궤도를 도는 물체가 운동량을 교환하여 속도와 방향을 바꾸는 중력도움을 이용해 지구를 움직일 수도 있다. 이른바 새총쏘기(sling shot)로 불리기도 하는 이런 종류의 기동은 행성 간 탐사선에 의해 광범위하게 사용되어왔다. 예를 들어, 2014~2016년에 혜성 67P를 방문한 로제타 우주선은 10년 동안 혜성으로 가는 중 2005년과 2007년 두 차례에 걸쳐 지구를 슬링샷함으로써 중력도움을 얻어 추진력을 더욱 높였다. 결과적으로 지구는 반대 방향으로 약간 밀려났지만, 우주선이 지구에 비해 너무나도 가벼워 측정 가능한 영향을 미치지는 못했다.
하지만 우주선보다 훨씬 더 큰 것을 이용해서 우주의 당구치기를 할 수 있다면 어떨까? 소행성은 확실히 지구에 의해 방향을 바꿀 수 있지만, 지구에 미치는 영향은 지극히 작다. 그러나 이 같은 당구치기를 지속적으로 수없이 되풀이한다면 또 얘기가 달라질 수도 있다. 태양계의 일부 지역에는 소행성과 혜성과 같은 작은 천체들이 밀집해 있으며, 그 중 많은 것은 현재 기술로 움직일 수 있을 만큼 작지만, 그래도 지구에서 발사할 수 있는 어떤 것보다 여전히 크다.
정확한 궤도 설계로 이른바 'ΔV 지렛대'(Δv leveraging)를 이용할 수 있다. 말하자면, 작은 천체를 궤도 밖으로 밀어내어 지구 곁을 스쳐게 함으로써 지구에 큰 충격을 줄 수 있다. 이것은 언뜻 흥미진진해 보일지 모르지만, 태양의 팽창을 따라잡기 위해 그러한 소행성 슬링샷이 백만 번은 필요할 것으로 추정된다.
이상에서 살펴본 가능한 옵션 중에서 여러 개의 소행성 슬링샷을 사용하는 것이 현재로는 가장 타당할 것으로 보인다. 하지만 미래에 우리가 거대한 우주 구조물이나 초강력 레이저 배열을 만드는 법을 배운다면 빛을 이용하는 것이 열쇠가 될 것이다.
그러나 이러한 시도들이 현재는 이론적으로만 가능하며, 또 언젠가는 기술적으로 실현 가능할지 모르지만, 태양의 파괴적인 변화에서 그래도 살아남을 수 있는 화성으로 우리 인류를 옮기는 것이 보다 쉬울 것이다. 이미 우리는 화성 표면에 착륙하여 그 표면을 여러 차례 탐사한 바가 있다.
지구를 움직이는 엄청난 일을 궁리하다 보면, 화성을 지구화하여 식민지화하고, 지구 인구를 거주할 수 있게 하는 일들이 어쩌면 그렇게 어려운 도전은 아닐지도 모른다는 생각이 들기도 한다.
이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com
[아하! 우주] 왜 거기서 나와?..금단의 지역서 거대 외계행성 발견
박종익 입력 2019.05.30. 11:16 수정 2019.05.30.
[서울신문 나우뉴스]
거대한 행성이 있기에 힘든 위치에 존재하는 특이한 행성이 발견됐다.
지난 29일(현지시간) 미국 CNN 등 해외 주요언론은 국제 천문학 공동연구팀이 매우 희귀한 외계행성인 'NGTS-4b'를 발견했다는 연구결과를 보도했다.
우리 태양에서 약 921광년 떨어진 곳에 위치한 NGTS-4b는 해왕성보다는 약 20% 정도 작지만 지구보다는 3배 정도 큰 거대한 행성이다. 표면온도가 1000℃에 이를 정도로 매우 뜨거운 행성으로 이는 항성과 매우 바짝 붙어있기 때문이다. NGTS-4b가 항성을 도는 시간은 불과 1.3일로, 수성이 태양을 한 바퀴 도는데 걸리는 시간이 88일인 것과 비교해보면 얼마나 가까운 지 알 수 있다.
천문학자들을 놀라게 한 것은 지구보다 3배나 클 정도로 거대한 행성이 항성과 이렇게 가까이 붙어있기 힘들다는 점이다. 특히나 NGTS-4b는 대기도 가지고 있는 것으로 확인됐는데 일반적으로 행성은 항성의 영향으로 암석 중심부만 남기고 증발해 대기를 유지하기 어렵다. 이 때문에 천문학자들과 언론들은 NGTS-4b에 존재하지 못할 곳에 있다는 의미로 '금단의 행성’(The Forbidden Planet)이라는 재미있는 수식어를 붙였다.
연구에 참여한 영국 워릭대학교 리처드 웨스트 연구원은 "해왕성 크기의 거대 행성이 살아남지 못할 것으로 예상됐던 바로 그 지역에서 NGTS-4b가 발견됐다"면서 "지금까지 한번도 해왕성급 행성은 전혀 발견되지 않는 곳"이라고 설명했다.
그렇다면 NGTS-4b는 어떻게 이같은 위치에 존재할 수 있는 것일까? 이에대해 연구팀은 크게 2가지 가설을 내놨다. 첫번째는 다른 곳에서 있던 NGTS-4b가 몇 백만 년 전 현재의 위치로 이동한 '떠돌이 행성'일 가능성, 또 하나는 NGTS-4b가 지금보다 더 컸으며 여전히 대기가 증발 중이라는 주장이다.
이번 연구는 칠레 아타카마 사막에 있는 ‘차세대 천체 통과 관측계획’(NGTS) 천체 망원경을 이용해 이루어졌으며 연구결과는 천문학 분야 국제학술지 ‘영국 왕립천문학회 월간보고’(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 최신호에 실렸다.
박종익 기자 pji@seoul.co.kr
[아하! 우주] 왜 태양계 행성들은 기울기와 자전속도가 제각각일까?
입력 2019.06.02. 10:56
[서울신문 나우뉴스]
당신이 가장 좋아하는 행성은 어떻게 돌고 있는가? 최근 미 항공우주국(NASA)이 운영하는 ‘오늘의 천문사진’(APOD)에 태양계 여덟 행성들의 자전축 기울기와 자전속도를 비교한 흥미로운 동영상이 올라와 눈길을 끌고 있다.
여덟 행성의 기울기와 자전속도는 제각각이지만, 우리는 아직까지 그 이유를 명확히 밝혀내지 못하고 있다. 태양계의 여덟 행성들 중에는 거의 수직으로 서서 자전하는 것이 있는가 하면, 옆으로 벌렁 드러누운 채 자전하는 것도 있고, 또는 희한하게도 반대 방향으로 자전하는 행성도 있다. 이 동영상은 NASA에서 우리 태양계의 여덟 행성들을 한 자리에 모아놓고 그 기울기와 자전속도를 타임렙스로 제작해 비교해본 것이다.
이 동영상에서 지구의 하루, 곧 지구가 한 번 자전하는 데는 몇 초가 걸리지만, 금성은 자전하는지조차 모를 정도로 천천히 돌고 있다. 한 바퀴 자전하는 데 지구 시간으로 234일이 더 걸리니, 눈으로 알아챌 수가 없을 정도다. 더욱이 금성의 자전 방향은 다른 행성들과는 반대다. 이는 금성의 초창기에 무엇으로부터 격심한 충격을 받았다는 명백한 증거이다.
크고 작은 차이는 있지만 안쪽의 암석 행성들은 태양계 초창기에 예외없이 그 같은 충격들을 받았다. 오늘날과 같은 행성의 자전축 기울기와 자전속도에는 수십억 년 전 먼 과거의 누적된 충격 여파가 숨어 있는 것이다. 그러나 우리는 그것들이 무엇에서 연유된 것인지는 다 밝혀내지 못하고 있다. 최근 발견되고 있는 수백 개의 외계행성들을 대상으로 컴퓨터 모델링을 통해 기울기와 자전속도에 숨은 비밀들을 연구하고 분석하는 것은 우리 태양계를 더욱 잘 이해하기 위한 작업이기도 하다.
이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com
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