[사이언스] '외계인이 정말 있냐'고 또 물으신다면

[비즈한국] “결혼은 안 하냐? 졸업하면 취업은 언제 해?” 명절이 오면 친척 어른들에게서 매번 똑같은 잔소리를 듣는다. 이번 추석에도 이 질문을 피해가지는 못했다. 그런데 매년 명절마다 나를 더욱 괴롭고 귀찮게 하는 질문이 있다. 

“외계인이 정말 있어? UFO가 진짜 있어?” 

단언컨대 아마 이 질문은 전 세계 천문학자들이 명절마다 친척에게서 듣는 지긋지긋하고 피곤한 질문 중 톱 3로 꼽히지 않을까 생각한다. 

어른들은 우주, 천문학이라고 하면 가장 먼저 떠오르는 키워드가 바로 외계인인 것 같다. 그래서 나름 천문학을 연구하는 조카인 내게서, 다른 평범한 사람들은 알지 못하는 NASA가 숨기는 비밀이나 천문학자들만 알고 있는 51구역에 관한 ‘썰’ 같은 이야기들을 듣고 싶어한다. 하지만 아쉽게도 나는 그들을 만족시킬 만한 멋진 대답을 갖지 못했다. 

외계인이 정말 우주에 있을까? 재미있는 질문이다. 또 수세기에 걸쳐 여전히 인류가 간직한 거대한 질문이다. 하지만 솔직히 말하자면 ‘당연히’ 나도 모른다. 내가 알기로 아직 인류는 정말 살아 움직이는 외계 생명체를 만나본 적도, 실제로 발견한 적도 없다. (어쩌면 내가 그런 비밀 문건에 접근할 권한이 없는 허접한 천문학자라서인지도 모르겠다.) 

이 넓은 우주 어딘가에 지구에만 생명체가 있다는 것은 어색한 것 같고, 그래서 어디엔가는 꼭 지구 바깥 생태계가 존재했으면 좋겠다는 개인적 기대를 갖고 있을 뿐이다. 

# SF스러운 고민은 그만, 이제는 더 현실적인 고민을 할 때  

1960년대 거대한 전파 안테나를 동원해 우주를 관측하는 전파 천문학이 본격적으로 시작되었다. 그리고 조만간 그 안테나로 외계 지성체가 보내온 인공 신호를 포착하게 될 것이란 엄청난 꿈을 품기도 했다. 

외계 문명의 신호를 포착하겠다는 엄청난 목표로 시작된 세티(SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence) 프로젝트의 창립 멤버인 전파 천문학자 프랭크 드레이크(Frank Drake)는 인류가 우리 은하에서 신호를 주고받을 수 있는 외계 문명의 수를 대략 유추하는 방법을 제안하기도 했다. 

우선 어떤 외계 문명이 존재하려면 그들에게 에너지를 제공하는 태양과 같은 별이 있어야 한다. 따라서 가장 먼저 우리 은하에서 평균적으로 얼마나 자주 새로운 별이 만들어지는지를 알아야 한다. 하지만 별만 있다고 해서 반드시 그곳에 외계 문명이 있는 것은 아니다. 별 주변에 행성이 있어야 하고, 그 행성이 지구처럼 적당한 기후와 환경을 갖출 확률을 고려해야 한다. 환경이 적당한 행성이라고 해서 그곳에 반드시 외계 문명이 건설되는 것도 아니다.

그 행성에 결국 생명이 탄생할 확률과, 또 그렇게 시작된 생태계가 고등 문명으로 진화할 확률, 나아가 그 문명이 결국 우리를 향해 신호를 보낼 확률 등 정말 다양한 변수를 고려해야 한다. 이런 다양한 변수를 모두 곱하면 궁극적으로 인류가 우리 은하 안에서 전파 신호로 그 안부를 확인할 수 있는 외계 문명의 수를 유추할 수 있다.

물론 이 드레이크 방정식(Drake Equation)은 수학적으로 엄밀한 공식은 아니다. 다만 우리가 존재를 확인할 수 있는 외계 문명의 수를 유추할 때, 어떤 것을 고민해야 하는지를 잘 알려주는 일종의 외계 문명 사냥 가이드라인이라고 볼 수 있다. 

하지만 우리 은하에서 태어나는 별의 개수, 또 그 별 주변에 행성이 있을 확률 정도를 제외하고는 나머지 변수들은 우리가 어쩌면 영원히 파악할 수 없는 미지수일 뿐이다. 그래서 얼핏 보면 드레이크 방정식은 외계 문명을 찾을 힌트를 주는 것 같은 설렘을 주지만, 따지고 보면 현실감 떨어지는 다소 공상과학적인 요소가 많다고 볼 수 있다. 

이후 외계행성을 연구하는 천문학자 사라 시거(Sara Seager, 1971~ )가 드레이크 방정식을 현실적인 수준에서 고민할 수 있게 보정한 시저 방정식(Seager Equation)을 새롭게 제안했다. 드레이크 방정식은 인류가 신호를 포착할 수 있는 외계 문명의 수를 유추하는 다소 SF 같은 꿈을 좇는 방정식이었다면, 시거 방정식은 인류가 지금의 기술로 생명체가 존재하는 외계행성을 발견할 확률을 고민하는 훨씬 더 현실적인 접근이다. 

특히 시거는 앞서 약 9년 동안 케플러 우주 망원경(Kepler Space Telescope)이 활용했고, 그 뒤를 이어 2018년 우주로 올라간 새로운 외계행성 사냥꾼 테스(TESS, Transiting Exoplanet Survey Satellite)가 활용하고 있는 ‘그림자 사냥법’에 주목했다. 

별 주변을 주기적으로 공전하는 외계행성이 별 앞을 가리고 지나가면서, 별의 밝기가 아주 조금 어두워지는 현상을 이용해 외계행성의 존재를 확인한다. 또 그 외계행성이 별빛을 가리는 정도를 통해 외계행성의 크기를 재고, 외계행성이 얼마나 자주 그림자를 그리는지 그 주기를 통해 외계행성이 중심 별에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 그 궤도의 크기도 알 수 있다. 이 방법은 현재까지 활용되는 여러 외계행성 사냥법 중에서 단연 가장 효율적이고 경제적인 사냥법이다. 

시거는 우선 전체 별들 중에서 자주 폭발하거나 강한 항성풍으로 주변 행성을 다 날려버리지 않는 잠잠한 별에 한해서 외계 생명체를 발견할 수 있는 가능성을 고민한다. 이처럼 활동이 잠잠한 별이어야 그 주변 행성에서도 생태계가 안정적으로 진화할 시간적 여유가 충분하기 때문이다. 이후 케플러와 테스가 활용하는 그림자 사냥법 등을 이용해 그 별 주변에서 외계행성의 존재가 확인될 확률을 고민한다. 

그렇게 존재가 확인된 외계행성들 중에서 지구와 비슷한 환경을 갖춘 곳을 골라야 한다. 그래서 시거는 중심 별에서 너무 멀지도 가깝지도 않은 적당한 거리에 있는, 별 주변 생명 거주 가능 구역 ‘해비터블 존(Habitalbe zone)’에 위치한 지구형 암석 행성이 발견될 확률을 고민한다. 이후 그 외계행성에서 실제로 생명의 징후를 보이는 생명 신호가 포착될 가능성을 고민해볼 수 있다. 

놀랍게도 우리는 그동안 케플러가 보여준, 그리고 앞으로 테스가 보여줄 대활약 덕분에 그림자 사냥법으로 외계행성이 발견될 확률과 그 행성이 별 주변 해비터블 존에 들어오는 암석 행성일 확률을 대략 파악할 수 있다. 물론 여전히 그 행성에서 생명 신호를 파악할 수 있는 확률은 파악하기 어려운 미지수로 남아 있다. 하지만 시거가 제안한 방향을 따라가면서 우리는 더 현실적인 수준에서 외계 생명체를 어떻게 하면 발견할 수 있을지를 고민할 수 있다. 

대략 얼마나 많은 외계 문명 또는 외계 생명체가 우주에 존재하는지를 직접 유추해보고 싶다면? 다음 링크에 들어가 드레이크 & 시거 방정식의 각 변수를 직접 채워보자. 내가 외계 생명체를 발견하는 데 낙관적인 사람인지 비관적인 사람인지 확인할 수 있다. 

# 이제 외계행성만으로는 재미없어 

여전히 우리 언론에서는 가끔 새롭게 발견되는 외계행성에 ‘지구를 닮은’ ‘쌍둥이 지구’와 같은 자극적인 문구로 소개한다. 하지만 솔직히 말하자면 이제는 외계행성이 발견되는 것 자체는 전혀 새로울 것 없는 이야기다. 어지간히 닮지 않으면 쌍둥이 지구, 슈퍼 지구라는 별명도 너무 흔해서 주목받기 어렵다. 

지금까지 인류가 발견한 외계행성은 4000개를 돌파했다. 우주 망원경은 활동을 멈췄지만 케플러의 데이터 유훈은 지금도 계속 새롭게 분석되면서, 새로운 외계행성이 끊임없이 발견되고 있다. 또 그 중에서 10%가 넘는 별이 지구와 놀라울 정도로 비슷한 환경을 가졌다. 

외계행성들을 발견한 방식과 발견된 순서대로 보여주는 영상. 불과 30년 만에 천문학자들이 알고 있는 외계행성의 수는 0개에서 4000개를 넘어섰다. 영상=SYSTEM Sounds(M. Russo, A. Santaguida), 데이터=NASA Exoplanet Archive

불과 30년 전까지 인류가 알고 있는 행성은 우리가 사는 태양계 여덟 개 행성이 전부였다. (물론 30년 전에는 명왕성도 행성으로 쳐주었기 때문에 굳이 따지면 아홉 개였다.) 태양계 바깥 다른 별 곁에도 행성이 존재할 거라고 기대했지만, 그 존재는 실제 확인하지 못했다. 외계행성이 실제로 존재한다 하더라도, 당시에는 그 존재를 확인할 방법조차 마땅히 없었다. 

하지만 그 짧은 시간 동안 우리는 외계 생명체를 추적하는 노하우를 개발했다. 그리고 이제는 더 이상 외계행성의 발견 그 자체만으로는 호들갑 떨기 민망할 정도로 외계행성이 흔하다. 우리는 외계 생명체를 찾기 위해 넘어야 하는 첫 번째 질문을 꽤 멋지게 통과했다. 외계행성은 분명 존재한다. 이제 우리는 더 답을 찾기 어려운, 아니 더 정확히 말하면 답을 찾기 위해 어떤 방법을 써야 할지조차 아직 정확히 모르는 그 다음 단계 질문을 마주해야 한다. 

바로 그 행성에서 생명의 흔적을 찾을 수 있을까 하는 문제다. 

가장 확실하게 확인할 수 있는 방법은 간단하다. 외계행성에 직접 날아가서 그곳에 나무들이 있는지, 동물이 있는지, 어두운 밤을 밝히는 도시가 있는지를 직접 확인하면 된다. 

하지만 안타깝게도 우리 주변 별과 외계행성은 직접 찾아가기에는 너무 멀리 떨어져 있다. 지구를 닮은 외계행성이 발견된 가장 가까운 프록시마 센타우리(Proxima Centauri) 항성계조차 지구에서 약 4.3광년 거리에 있다. 현재 인류의 기술로 만들 수 있는 가장 빠른 우주선으로 날아가도 거의 8만 년은 족히 걸린다. 따라서 케플러와 테스가 굳이 외계행성까지 날아가지 않아도 그 행성의 존재 여부와 기후, 환경을 파악했던 것처럼 다시 한 번 잔머리를 굴려야 한다. 외계행성을 지구에서 관측만 해서 생태계의 존재 여부를 확인할 방법은 없을까? 

# 역지사지에 힌트가 있다

만약 어떤 외계행성의 대기권에서 산소가 많이 검출된다면 그것이 생명의 존재를 입증할 수 있을까? 지구의 경우 동물이 호흡을 하는 데 산소는 필수 요소이고, 식물은 햇빛을 받아 당을 만들어내면서 산소를 함께 배출한다. 하지만 산소가 존재한다고 해서 반드시 생명이 존재한다고 확신할 수는 없다. 

생명이 없더라도 중심 별에서 나오는 강렬한 자외선에 의해 행성에 있는 이산화탄소나 물 분자가 깨지면서 산소가 만들어질 수도 있다. 실제로 작고 왜소한 M형 왜성(M-dwarf star) 주변을 맴도는 외계행성 가운데 대기권에 이산화탄소를 많이 머금고 있는 행성에서는 생명 없이도 산소가 많이 만들어지는 이런 과정이 흔하게 벌어진다.[1]

그렇다면 대체 어떻게 해야 멀리 떨어진 외계행성에 생명이 존재하는지를 파악할 수 있을까? 이 어려운 질문에 한 가지 힌트는 바로 ‘역지사지’다. 거꾸로 멀리서 우리 지구를 바라본다고 했을 때 과연 어떤 식으로 지구에 생명이 존재함을 보여줄 수 있는지 생각해보는 것이다. 

천문학자들은 지구처럼 대기에 질소가 아주 많이 포함되어 있는 외계행성을 생각했다. 질소는 수소와 다시 재결합하면서 더 복잡한 유기 물질을 만드는 중요한 성분이다. 그런데 이런 복잡한 화학 공정이 진행되기 전에 외계행성으로 중심 별에서 강렬한 자외선 또는 엑스선(XUV, X-ray & Ultraviolet) 별빛이 비친다면, 질소(N2)나 물 분자(H2O)가 다시 원자 단위로 쪼개지고 다시 재결합하면서 산소(O2)나 산화질소(NO) 분자가 만들어진다. 그리고 이렇게 만들어지는 분자들의 양은 중심 별이 얼마나 강렬한 별빛을 발산하는지, 별의 활동량에 영향을 받는다. 

실제로 이런 과정은 지구에서도 벌어진다. 지구 주변을 맴도는 TIMED(Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics, 열권 이온층 중간권의 에너지 및 활동) 탐사 위성은 태양의 활동성에 따라 지구 대기권 속 산화질소의 함량이 변하는 것을 확인했다. 이러한 변화는 산화수소(OH)나 산소 분자에서도 나타난다.[2] 

흥미롭게도 지구 대기권 속 산화질소 함량의 변화는 우리 옆 태양의 활동성에 따라 비례한다. 특히 태양이 한꺼번에 많은 물질을 우주 공간으로 토해내는 코로나 물질 분출(CMEs, Coronal Mass Ejections)과 같은 현상이 있을 때 지구 대기권 속 산화질소 분자의 함량은 수백에서 수천 배까지 치솟을 수 있다. 만약 멀리 떨어진 외계행성에서 인근 별의 크고 작은 폭발로 인해 갑자기 행성의 대기 중 산화질소 등 분자들의 함량이 치솟는 것이 보인다면, 또는 인근 별의 활동성에 맞춰 대기 중 분자의 함량이 변화하는 것이 보인다면 이는 그 행성의 대기가 지구와 매우 유사하다는 아주 중요한 힌트가 될 수 있다. 나아가 지구와 비슷한 대기 성분을 갖기 위해서는 지구처럼 오랫동안 이산화탄소를 섭취하고 산소를 방출하는 식물 생태계가 있을 것이라는 추측을 할 수 있다.[3] 

중심 별에서 나오는 강력한 자외선 복사가 인근의 외계행성을 비출 때 더 직접적인 생명의 흔적이 발견될 수도 있다. 지구에서도 심해 생물 등에서 빛에 잘 반응하는 특정한 단백질을 포함하는 경우, 해로운 자외선을 받아 어둠을 밝히는 발광을 하는 경우가 있다. 어떤 외계행성에서 이런 생체 형광(photoprotective biofluorescene)에 의한 빛이 검출된다면 이는 분명 자외선에 반응해 빛을 방출하는 생태계가 조성되어 있다는 것을 의미한다. 

별의 바다(Sea of Stars)로 유명한 몰디브의 한 해변. 이곳에서는 생체 발광을 하는 플랑크톤 덕분에 물살이 돌에 부딪히거나 물장구를 칠 때마다 선명한 푸른 빛이 감도는 멋진 모습을 볼 수 있다.

최근 천문학자들은 만약 이런 생체 형광 반응이 벌어지는 외계행성이 있다면, 그 흔적을 멀리 지구에서도 티가 날지를 추정하는 연구를 진행했다. 천문학자들은 인근 행성에 지속적으로 강한 자외선을 쏟아내고 있는 난폭한 M 왜성 주변에서 생체 형광을 일으키는 생물의 종류와 행성 하늘의 구름의 양에 따라 그 흔적이 어떻게 보일지를 추정했다. 그 결과 만약 실제 이런 일이 외계행성에서 벌어지고 있다면 그 흔적은 앞으로 지어질 다음 세대 망원경의 성능으로 충분히 검출할 수 있는 것으로 추정된다.[4] 

불과 몇십 년 전까지만 해도 허황된 이야기로만 여겨졌던 외계행성은 이제 지극히 현실적이고 당연한 이야기가 되었다. 이제 우리는 그 다음 문제, 과연 그 행성에서 생명이 존재하는가, 생명이 존재한다면 그것을 어떻게 확인할 수 있을까 하는 문제로 진입하고 있다. 

아이러니하게도 우주가 너무 넓다는 것은 우리에게 기대와 함께 아쉬움을 안겨준다. 이렇게 넓은 우주 어딘가에 분명 또 다른 생태계가 존재할 것이라는 막연한 기대와 동시에 설령 그들이 존재하더라도 우주가 너무 넓고 별들이 멀리 떨어져 있는 탓에 어쩌면 영원히 그들을 발견하지 못할 수도 있지 않을까 하는 아쉬움이 남는다. 혹자는 우주의 다양한 문명과 생태계가 서로 만나면 싸울 것이 뻔하기에 일부러 싸우지 말라고 멀리 떨어져 있다는 재미있는 농담을 한다. 

앞으로도 이어질 외계행성을 찾아 떠나는 여정은 무한히 펼쳐진 거대한 건초 더미 속에서 바늘을 찾는 것만큼 어려운 여정일 것이다. 그동안 우리는 찾아야 하는 바늘이 어떻게 생겼는지조차 알지 못했다. 하지만 이제 우리가 찾아야 하는 바늘이 어떤 모습인지는 조금 알기 시작했다. 

과연 그들은 존재할까? 우주에는 과연 인류뿐일까? 우리는 여전히 모른다. 매년 명절마다 듣게 되는 이 지긋지긋한 질문에 대한 나의 답은 아쉽지만 앞으로도 한동안은 똑같을 것이다. 하지만 이 질문을 들었을 때의 천문학자들의 표정에는 조금씩 뚜렷한 미소가 더해지고 있다. 

[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019arXiv190904642B/abstract

[2] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018JA025831

[3] https://www.nature.com/articles/s41598-017-14192-4

[4] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv160806930O/abstract

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​

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