🪐 태양 없이도 생명체가 살 수 있을까: 떠돌이 행성이 던지는 놀라운 과학적 질문과 가능성

📑 목차

• 🔌 정전된 밤, 별도 없이 사는 별을 떠올리다
• 🧮 스티븐슨이 1999년에 던진 계산
• 🔭 오리온에서 발견된 40쌍이 흔든 전제
• 🧊 대기 대신 얼음 껍질, 스테판울프 가설
• 🌡️ WISE 0855가 실제로 보여준 것

🔌 정전된 밤, 별도 없이 사는 별을 떠올리다

작년 겨울 태풍 때 우리 동네가 통째로 정전된 적이 있다. 보일러도 꺼지고 전기장판도 꺼진 상태로 이불 속에서 세 시간을 버텼는데, 그때 든 생각이 딱 하나였다. 난방원 하나만 사라져도 이렇게 춥구나. 그런데 우주에는 애초에 태양 같은 난방원이 없는 채로 떠도는 행성들이 있다고 한다. 흔히 '떠돌이 행성' 혹은 '자유부유행성(free-floating planet)'이라고 부르는데, 항성에 붙잡히지 않고 은하 공간을 혼자 떠돈다. 그날 밤 이불 속에서 검색하다가 떠돌이 행성 생명체 가능성을 다룬 논문이 20년도 더 전에 나왔다는 걸 알고 좀 놀랐다.

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🧮 스티븐슨이 1999년에 던진 계산

이 아이디어의 원조는 칼텍의 행성과학자 데이비드 스티븐슨이다. 1999년 네이처에 실린 'Life-supporting planets in interstellar space?'라는 짧은 논문에서, 그는 암석 행성이 수소를 수십 바(bar) 두께로 두르고 있으면 항성빛이 전혀 없어도 표면에 액체 물을 유지할 수 있다고 계산했다. 핵심은 수소 자체가 아니라 수소끼리 부딪힐 때 생기는 '충돌 유도 흡수(collision-induced absorption)'라는 현상이다. 수소 분자 하나하나는 적외선을 거의 흡수하지 못하는 형편없는 온실가스지만, 대기압이 충분히 높아지면 분자끼리 부딪히는 순간에만 잠깐 적외선을 흡수하는 특이한 성질이 생긴다. 그래서 압력만 확보되면 별빛 없이도 내부 방사성 열만으로 표면 몇 도를 유지할 수 있다는 논리였다. 문제는 이 조건을 만족하려면 지구 대기압의 수십~수백 배에 달하는 수소 외피가 필요한데, 암석 행성이 형성 초기에 그만한 수소를 붙잡아두는 경우가 드물다는 점이다. 그러니까 이 가설은 '가능하다'는 걸 보여줬을 뿐, '흔하다'는 걸 보여준 건 아니었다.

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🔭 오리온에서 발견된 40쌍이 흔든 전제

그런데 2023년 제임스웹 우주망원경이 오리온성운 트라페지움 성단을 찍으면서 이 전제 자체를 다시 생각하게 만든 관측이 나왔다. 천문학자 마크 매코린과 새뮤얼 피어슨이 발표한 자료에 따르면, 별에 묶이지 않은 목성 질량급 천체 약 540개 가운데 40쌍(80개)이 서로 짝을 이루어 공전하는 쌍성 형태로 발견됐다. 이 천체들은 'JuMBO(Jupiter Mass Binary Object)'라는 별명이 붙었는데, 흥미로운 지점은 이들이 항성계에서 튕겨 나온 게 아니라 애초에 별 없이 태어났을 가능성이 높다는 것이다. 기존 시나리오에서 떠돌이 행성은 보통 한때 항성을 돌다가 다른 행성이나 별의 중력에 의해 튕겨 나간 존재로 그려졌다. 이 경우라면 튕겨 나오기 전까지 항성 근처에서 데워진 잔열이나 두꺼운 원시 대기를 물려받았을 가능성이 있다. 반면 JuMBO처럼 처음부터 별 없이 성간 가스에서 직접 뭉쳐 태어난 천체라면, 이런 잔열 자체가 없다. 형성 경로가 다르면 생명체를 품을 수 있는 메커니즘도 완전히 다르게 설계해야 한다는 뜻이고, 이 구분을 스티븐슨의 1999년 논문은 다루지 않았다.

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🧊 대기 대신 얼음 껍질, 스테판울프 가설

이 빈틈을 메운 게 2011년 시카고대 도리언 애벗과 에릭 스위처가 발표한 '스테판울프(Steppenwolf)' 가설이다. 이들은 수소 대기 대신, 목성의 위성 유로파처럼 표면은 얼음으로 덮이고 그 아래 방사성 붕괴열로 데워진 바다가 존재하는 구조를 제안했다. 이 모델의 장점은 두꺼운 수소 외피가 필요 없다는 것이다. 지구 정도 크기의 암석 행성이면 우라늄과 토륨 같은 방사성 원소가 붕괴하면서 내는 열만으로도 수 킬로미터 두께 얼음 밑에 액체 상태 바다를 수십억 년간 유지할 수 있다는 계산이었다. 별빛도, 두꺼운 대기도 필요 없이 암석 행성이기만 하면 된다는 점에서, 이 시나리오가 맞다면 떠돌이 행성 중 생명체를 품을 수 있는 비율은 스티븐슨 모델보다 훨씬 높아진다.

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🌡️ WISE 0855가 실제로 보여준 것

이론만 쌓아두면 공허하니 실측 사례 하나를 짚고 넘어가야겠다. 2014년 케빈 루먼이 발견한 WISE 0855-0714는 지구에서 약 7.2광년 떨어진, 태양계에서 네 번째로 가까운 천체계다. 질량은 목성의 3~10배로 추정되고 표면 온도는 약 250켈빈, 섭씨로 환산하면 영하 23도 안팎으로 지구 극지방과 비슷한 수준이다. 별이 아니라 남는 열만으로 빛나는 천체치고는 놀랍도록 따뜻한 편이다. 2016년 앤드루 스케머 연구팀이 스피처 우주망원경으로 이 천체의 스펙트럼을 분석했는데, 물 얼음 구름으로 추정되는 흡수선이 검출됐다. 태양계 밖 천체에서 물 구름의 존재가 확인된 사실상 첫 사례였다. 이게 왜 중요하냐면, WISE 0855는 암석 행성이 아니라 여전히 원시 열을 식혀가는 중인 준항성급 천체지만, 항성빛 없이도 대기 중에 복잡한 기상 현상이 일어날 수 있다는 걸 실측으로 보여준 유일한 사례이기 때문이다. 스티븐슨과 애벗의 계산이 순수한 이론이었다면, WISE 0855는 별 없는 대기에서도 뭔가 일어난다는 걸 눈으로 확인시켜준 셈이다.

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세 가지를 나란히 놓고 보면, 떠돌이 행성이 생명체를 품는 경로는 하나가 아니라 적어도 두 갈래로 갈린다. 항성계에서 늦게 튕겨 나와 두꺼운 수소 외피를 유지한 경우와, JuMBO처럼 처음부터 별 없이 태어나 얼음과 방사성 열에 의존해야 하는 경우다. 어느 쪽이든 우리가 흔히 생명의 조건으로 떠올리는 따뜻한 별빛은 필수가 아니라는 점만은 분명해 보인다.