조석 고정 행성, 황혼 지대, M형 항성, 우주 물리학

우주의 무대에서 조석 고정 행성이라는 독특한 존재가 있습니다. 이 행성들은 한 면은 영원한 낮으로 다른 한 면은 끝없는 밤으로 나뉘어져 있어, 지구와 전혀 다른 환경을 가지고 있으며 이러한 극단적인 조건에서의 생명 존재 유무는 우리의 궁금증을 자아내게 합니다. 즉, 조석 고정 행성은 자전 주기와 공전 주기가 동일하여, 항상 한 면만이 별을 향하고 있는 상태를 말합니다. 이로 인해 한쪽은 지속적인 태양빛을 받아 뜨겁고, 반대쪽은 영원한 어둠 속에 차가운 상태를 유지합니다. 이러한 극단적인 온도 차이는 생명체가 존재하기에 적합하지 않을 것처럼 보이지만, 실제로는 다양한 변수들이 작용하여 생명체가 존재할 가능성을 제시합니다.

조석 고정 행성 가상 이미지

조석 고정 행성의 황혼 지대

조석 고정 행성에서 생명체가 존재하기 위해서는 대기 순환이 중요한 역할을 합니다. 대기 순환은 낮과 밤 사이의 열을 재분배하여, 극단적인 온도 차이를 완화시킵니다. 특히, 대기 중의 수증기와 이산화탄소는 온실 효과를 통해 열을 저장하고, 이를 밤쪽으로 전달하여 온도를 일정하게 유지하는 데 기여합니다. 이러한 메커니즘은 지구의 대기 순환과 유사하지만, 조석 고정 행성에서는 더욱 극단적인 형태로 나타납니다.

 

조석 고정 행성에서 가장 생명체가 존재하기 적합한 지역은 낮과 밤의 경계인 황혼 지대입니다. 이 지역은 온도와 조명이 비교적 안정되어 있어, 생명체가 존재하기에 이상적인 환경을 제공합니다. 또한, 대기 순환에 의해 열과 에너지가 공급되어, 생명체가 생존하고 번식할 수 있는 조건을 갖추고 있습니다. 생명체의 존재를 위해서는 액체 상태의 물이 필수적입니다. 조석 고정 행성에서 물이 존재하려면, 대기 순환과 온실 효과가 적절히 작용하여 온도를 유지해야 합니다. 또한, 행성의 질량과 중력, 대기의 구성 등 다양한 요소들이 복합적으로 작용하여 물의 존재 여부를 결정합니다.

조석 고정 행성의 대기 순환과 열의 재분베

최근 연구에 따르면, 일부 조석 고정 행성에서는 이러한 조건이 충족되어 물이 존재할 가능성이 제시되고 있습니다. 이처럼 한쪽은 영원한 대낮, 다른 한쪽은 끝없는 밤이라면, 두 지역 간의 온도 차이는 도대체 얼마나 클까에 대한 의문은 흥미로운 반전이 있습니다. 뜨거운 쪽은 수백 도에 달하는 열이 쏟아지고, 어두운 쪽은 절대영도에 가까운 한기에 갇혀 있을 가능성이 존재하기에 바로 대기 순환이라는 행성의 기상 시스템이 등장하기 때문입니다.

 

복사 에너지의 불균형은 대기 내 강력한 열 이동 흐름을 일으킵니다. NASA와 ESA의 연구 결과에 따르면, 조석 고정 행성에서도 적도 중심의 제트 기류가 형성될 수 있으며, 이 흐름은 뜨거운 쪽의 공기를 황혼 지역을 통해 밤 지역으로 끌어다 놓는 역할을 합니다.

마치 거대한 행성 규모의 에어컨이 작동하는 셈이며 이 흐름은 구름 형성, 강수, 심지어 지역 기후의 안정성까지도 포함됩니다. 대기압과 조성, 회전 속도 등 다양한 변수에 따라 다르지만, 이러한 순환 모델은 행성 전체를 죽음의 두 극단이 아닌 균형의 땅으로 바꾸는 열쇠가 될 수 있습니다.

M형 항성계와 조석 고정

M형 항성, 혹은 적색왜성이라고 불리는 이 별들은 우주에서 가장 흔한 별입니다. 은하계 내 별의 70% 이상이 바로 이 M형 항성입니다. 하지만 그만큼 가까이에서 도는 행성들은 조석 고정 상태에 빠지기 매우 쉽습니다. 물리학적으로 설명하자면, 항성과 행성 사이의 중력 상호작용이 조석력을 만들어내며, 이는 행성의 자전 속도를 점점 늦춥니다. 그리고 결국에는 자전과 공전 주기가 동일해지는 상태, 즉 조석 고정에 도달하게 되는 것입니다. M형 항성은 덩치가 작고 빛도 약해서, 그 주위의 생명체 거주 가능 구역은 항성에 아주 가까이 위치합니다. 이는 지구와 태양 거리보다 훨씬 가까운 거리에서 행성이 궤도를 돌아야 물이 액체 상태로 존재할 수 있다는 뜻입니다. 문제는 그 거리인데 너무 가까운 거리 때문에 조석력이 매우 강해져, 행성은 빠르게 조석 고정 상태에 도달하게 됩니다.

그래서, 많은 외계행성 후보들이 M형 항성을 공전하며 조석 고정 상태에 있을 가능성이 매우 높지만, 이는 생명체 존재 가능성에 큰 영향을 미칩니다.

 

대기 순환과 해양 순환, 그리고 심지어 행성 내부의 지열 활동까지 포함하면, 생명체가 존재할 수 있는 황혼 지대나 균형 환경이 충분히 형성될 수 있다는 희망을 가집니다. 특히 NASA의 제임스 웹 우주망원경은 M형 항성 주위의 조석 고정 행성의 대기를 분석해, 메탄·이산화탄소·수증기 같은 생명 관련 분자를 찾아내려 하고 있습니다.

이처럼 물리학은 조석 고정 상태에서도 생명 유지에 필요한 열적 안정성과 화학적 순환의 가능성을 정량화하고, 시뮬레이션하며, 끝내 관측을 통해 검증하려는 시도 속에 있습니다.

마치며

조석 고정이 가설적 현상이라고 생각하기에는 실제로 조석 고정 상태에 있을 가능성이 높은 외계 행성들이 속속 발견되고 있습니다.

이전 블로그 시리즈에도 말씀드렸던 약 40광년 떨어진 TRAPPIST-1계에서는 무려 일곱 개의 행성이 촘촘하게 별 주위를 돌고 있습니다. 그중 TRAPPIST-1e, f, g는 생명 가능 지대에 위치한 암석형 행성으로, 물리학자들과 천문학자들이 손꼽는 유력 후보입니다.

특히 그들은 별과 너무도 가까이 붙어 있어 공전 주기가 고작 6~12일에 불과합니다. 이로 인해 조석 고정이 발생했을 가능성이 상당히 높습니다. 더 나아가, 우리가 아는 우주에서 가장 가까운 외계 행성 중 하나인 프록시마 센타우리 b도 조석 고정 상태일 가능성이 높습니다. 지구에서 겨우 4.24광년 떨어진 이 작은 이웃은, 지구와 비슷한 질량을 가지고 있으며, 역시 M형 항성 주위를 돌고 있습니다. 낮과 밤이 나뉘지 않는 세계, 그것도 영원한 낮과 영원한 밤이 공존하는 공간에서 생명이 살 수 있을지 의문이지만 놀랍게도 최신 기후 모델은 가능성 있음이라는 희망의 메시지를 보내오고 있습니다.

 

이와 유사한 예는 LHS 1140b와 Gliese 581d에서도 찾아볼 수 있습니다. 이들은 각각 25일, 67일의 공전 주기를 가지며, 강한 중력과 조밀한 대기를 통해 열을 순환시킬 수 있는 행성 기후 기계를 내포하고 있을지도 모릅니다.

조석 고정 행성은 극단적인 환경을 가지고 있지만, 다양한 물리학적 메커니즘과 대기 순환, 온실 효과 등을 통해 생명체가 존재할 수 있는 가능성을 제공합니다. 특히, 황혼 지대는 생명체가 존재하기에 이상적인 환경을 제공하며, 물의 존재 여부에 따라 생명의 가능성이 더욱 높아집니다. 따라서, 조석 고정 행성은 생명체 탐사의 중요한 대상이 아닐 수 없습니다.