<아바타2: 물의 길> ‘나비족’도 좋아할 바다 행성 유력 후보 발견했다! : 과학향기 Story : KISTI의 과학향기

먼 미래, 인류는 지구에서 멀리 떨어진 행성 ‘판도라’에서 자원을 채굴하기 위해 원주민 나비족의 외형에 인간의 의식을 넣는 ‘아바타’를 만든다. 해병대원이었지만, 하반신이 마비된 제이크 설리는 죽은 형을 대신해 아바타를 조종하게 되고, 우연히 나비족 여전사 네이티리를 만나 사랑에 빠진다.

지난 2009년 개봉한 SF영화 <아바타>의 줄거리다. 당시 참신한 설정과 환상적인 3D 영상으로 전 세계 관객을 사로잡았던 아바타가 13년 만에 두 번째 시리즈로 돌아왔다. 전작의 배경이 광활한 숲이었다면 후속작인 <아바타: 물의 길>은 제목에서 유추할 수 있듯 바다에서 이야기가 펼쳐진다.

사진 1. <아바타:물의 길> 포스터. 2009년 개봉한 <아바타> 이후 13년 만에 개봉하는 후속작으로, 판도라 행성의 바다에서 이야기가 펼쳐진다. (출처: 20세기 스튜디오)

그런데 몇몇 천문학자는 아바타에 등장하는, 바다가 펼쳐진 판도라 행성을 보면서 공통으로 한 외계행성을 떠올릴지도 모르겠다. 최근 ‘바다 행성’ 후보군에 합류한 ‘TOI-1452b’를 말이다. 이 외계행성은 대기를 연구할 수 있을 만큼 지구와 가깝고, 북극성 부근 용자리에 위치해 연중 관찰할 수 있다.

바다 행성은 어떻게 만들어지고, 어떻게 찾을까
캐나다 몬트리올대 외계행성연구소(iREx)가 이끄는 공동연구팀은 지난 2019년 우주망원경 테스(TESS)에 포착된 항성 주위를 공전하는 외계행성 TOI-1452b를 분석한 결과 바다 행성일 가능성이 크다고 추정하고, 관련 근거를 담은 연구를 국제학술지 ‘천문학저널(The Astronomical Journal)’ 올해 8월 12일 자에 발표했다.

사진 2. 외계행성 TOI-1452b의 상상도. 이 작은 행성은 행성 전체가 바다로 덮인 것으로 추정된다. (출처: Benoit Gougeon, Université de Montréal)

바다 행성은 슈퍼지구에 해당하는 외계행성 중 표면이 전부 바다인 행성으로, 슈퍼지구는 질량이 지구보다 크고 암석으로 이뤄진 행성을 일컫는다. 바다 행성은 표면이 얼음으로 뒤덮인 행성으로부터 만들어진다. 항성을 공전하다가 어떠한 이유로 항성에 가까워지면 얼음이 녹아 바다가 되는 식이다.

연구팀이 바다행성 후보로 지목한 TOI-1452b 역시 이러한 과정을 거쳤을 가능성이 높다. 이 외계행성은 지구에서 약 100광년 떨어진 용자리의 쌍성계 중 하나의 별인 ‘TOI-1452’를 공전한다. 당초 이 쌍성계를 이루는 두 별은 거리가 97AU(1AU는 약 1억5천만km)로 가까워 하나의 별로 보였는데, 연구팀이 테스와 캐나다 퀘백 인근의 몽메간틱천문대(OMM) 망원경에 설치된 외계행성 관측 카메라 ‘페스토’로 관찰한 결과 TOI-1452를 포함한 두 개의 별로 이뤄졌다는 사실이 밝혀졌다.

동시에 연구팀은 TOI-1452의 밝기가 11일에 한 번씩 어두워진다는 점을 포착했다. 일식 때 태양이 달에 가려져 어둡게 보이는 것처럼 항성의 밝기가 주기적으로 어두워지는 건 그 항성을 공전하는 행성이 있다는 사실을 뜻한다. 이를 통해 TOI-1452를 공전하는 외계행성 TOI-1452b의 존재를 확인할 수 있었다.

연구팀은 여기에 그치지 않고, TOI-1452b의 질량과 크기를 추정했다. 빛은 주변 천체의 중력에 이끌려 굴절된다. 천체의 질량이 클수록 중력도 커서 항성에서 나오는 빛의 굴절 정도를 분석하면 주변 천체의 질량을 추정할 수 있다. 또 항성이 가려지는 정도를 통해서는 천체의 크기를 알아낼 수 있다.

추정 결과 TOI-1452b의 질량은 지구의 4.82배, 반지름은 4.82배였다. 또한 이 두 값을 토대로 계산한 밀도는 1cm³당 5.6g으로, 지구의 밀도(1cm³당 5.5g)와 비슷했다. 밀도가 지구와 비슷하면서 질량이 더 크다면 TOI-1452b은 더 가벼운 물질로 구성됐다는 것을 뜻한다.

연구팀에 소속된 샤를 카듀 몬트리올대 연구원은 ”TOI-1452b의 밀도는 지구처럼 금속과 암석으로 구성됐을 경우보다 낮았다”고 말했다. 연구팀은 TOI-1452b의 내부를 모델링한 결과, 전체 질량의 30%를 물이 차지할 것으로 봤다. 지구는 표면의 70%가 바다로 덮여 있어 푸른 행성이라고 불리지만, 질량에서 물의 비율은 1% 미만이 채 되지 않는다. 우리의 생각과 달리 지구는 매우 건조한 행성이다.

제임스웹우주망원경이 나설 차례
천문학자가 바다 행성에 주목하는 이유는 생명체가 존재할 가능성이 크기 때문이다. 지구의 생명체가 바다에서 기원했듯이 물이 있고, 대기와 온도 등이 지구와 비슷하면 그만큼 생명체가 존재할 확률도 높다. 물론 육지가 없으므로 수중 생물일 것이다.

사진 3. TOI-1452b의 표면을 나타낸 상상도. (출처: Benoit Gougeon, Université de Montréal)

샤를 연구원은 “TOI-1452b는 우리가 지금까지 발견한 바다 행성에 대한 최고의 후보 중 하나”라고 말했다. 물론 TOI-1452b가 최초의 바다 행성 후보는 아니다. 지난 2009년 발견된 ‘GJ1214b’, 2011년 발견된 ‘kepler-22b2’ 등이 먼저 후보 명단에 이름을 올렸다. 그런데 연구팀은 바다 행성의 특징을 갖춘 동시에 따뜻한 행성이라는 점, 지구와의 거리가 가까워 관측 및 분석 활동이 수월하다는 점을 들어 TOI-1452b를 최고의 바다 행성 후보 중 하나로 보고 있다.

연구팀은 곧 TOI-1452b가 바다 행성이라는 좀 더 확실한 근거를 찾기 위해 지난 2021년 12월 우주로 떠난 제임스웹우주망원경(JWST)의 힘을 빌릴 계획이다. JWST는 허블우주망원경의 뒤를 잇는 차세대 우주망원경으로, 허블우주망원경보다 성능이 약 100배 강력하고, 적외선을 관찰할 수 있는 게 특징이다.

몬트리올대 소속 천문학자 르네 도용은 “제임스웹망원경은 TOI-1452b를 더 잘 이해하는 데 필수적일 것”이라며 “가능한 한 빨리 신비롭고 놀라운 세계를 관찰하기 위해 제임스웹망원경을 예약하겠다”고 전했다.

글: 김우현 과학칼럼니스트/ 일러스트: 이명헌 작가

김진수

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질량은 지구의 4.82배, 반지름은 4.82배. ----- 밀도는 1cm3당 5.6g으로, 지구의 밀도[1cm3당 5.5g]와 비슷했다. 밀도가 지구와 비슷하면서 질량이 더 크다면 TOI-1452b은 더 가벼운 물질로 구성됐다는 것을 뜻한다.
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참 혼란스러운 표현입니다. 질량이 지구의 4.82배이고 반지름도 4.82배라면 밀도는 지구의 1/[4.82]^2인 초저밀도가 되어합니다.
밀도가 지구와 비슷하다면 더 가벼운 물질이 아닌 비슷한 물질로 구성된 것이고, 그럼에도 질량이 더 크다면 외형 크기[지름]가 더 크다는 것이지요. 4.82배 더 크다고 처음에 밝혔듯이 말이지요.

2022-12-12

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