생명체가 존재하는 행성을 위한 은하 레시피

악명 높은 독극물 중 하나가 우리의 삶에 꼭 필요한 필수 요소라는 것을 알고 계셨나요? 우주 화학자 카린 오버그가 분자 활동의 온상과 생명이 살 수 있는 행성의 형성을 알아보기 위해 어떻게 세계 최대 전파 망원경인 ALMA를 이용해 이 모순적인 화학 물질을 연구하고 우주를 살펴 보았는지 들어보세요.

여기 계신 여러분 중에는 저처럼

언젠가 하늘의 별을 올려다보며

이렇게 생각해 보신 분이
있을 거라고 확신합니다.

"우리뿐일까? 아니면 지구 같은
다른 행성이 있는 걸까?"라고요.

하지만 그 질문을 업으로 삼을 정도로

이 문제에 집착한 사람은

저뿐일지도 모르겠네요.

뭐, 아무래도 좋습니다.

우리는 이 질문에
어떻게 답해야 할까요?

글쎄요, 전 일단 하늘에서 눈을 돌려

우리 행성, 지구를
보아야 한다고 얘기합니다.

그리고 생명체가 있는 행성이 되기까지

지구가 얼마나 운이 좋았는가를
생각해 봐야 한다고도요.

어느 정도는 운이 작용했어야 합니다.

태양에 조금이라도 더 가까웠거나

조금이라도 더 멀리 떨어져 있었다면

지구의 물이 모두 증발하거나
얼어버렸을 테니까요.

모든 행성에 물이 있지는 않다는 점도
지구가 운이 좋았던 부분이죠.

만약 지구가 물이 없는 행성이었다면

많은 생명체가 살지는 못했을 겁니다.

그리고 설령 지금처럼 물이 많았어도

생명이 살기에 적합한
화학 물질이 포함되지 않았더라면

물은 넘쳐나도
생명체는 없는 행성이었겠죠.

잘못될 수 있는 이유가 이렇게 많은데도

모든 게 적절하게 딱 들어맞을
확률이 얼마나 될까요?

생명의 기원이 존재하기 위해

어떤 행성이 최소한의 기본적
조건을 갖춰 형성될 확률은

얼마나 되는 걸까요?

지금부터 함께 알아볼 겁니다.

행성에 생명체가 살 수 있으려면

일단 제일 먼저 필요한 건

행성이겠죠.

(웃음)

그렇다고 아무 행성이나
다 되는 건 아니에요.

조금은 특별한,
지구 같은 행성이어야겠죠.

바위가 많아서

바다와 육지를 모두 가질 수 있고

항성으로부터
너무 가깝지도 또 멀지도 않아

온도가 적당한 행성이어야 합니다.

이건 액체 형태의 물이
흐르기에도 적당한 온도겠죠.

우리 은하계에 이런 행성이
몇 개나 될까요?

지난 몇십 년간 이루어진
놀라운 발견 중 하나는

이런 행성들이 엄청 흔하다는 겁니다.

거의 모든 항성이 주변에
행성을 가지고 있습니다.

여러 행성을 가진 항성도 있어요.

이 행성 중에

몇 퍼센트는 지구와 꽤 비슷해서

잠재적으로 살아있는 생명체가 있는
행성으로 간주합니다.

알맞은 조건의 행성을 찾는 것은
별로 어려운 일이 아닙니다.

우리 은하계에 약 천억 개의
항성이 있다는 걸 생각하면

생명체가 있을 가능성을 가진
행성이 십억 개는 됩니다.

하지만 알맞은 온도와

전체적으로 적합한 조건을
갖추는 것만으로는 충분하지 않습니다.

적절한 화학 물질도 있어야 합니다.

살아있는 행성을 만드는
두 번째로 중요한 요소는

직감하셨겠지만,

물입니다.

물을 액체 형태로 유지할 수 있는
온도를 갖추고 있으면

살아있는 생명체가 존재할 수 있는
행성으로 정의했으니까요.

여기 지구의 생명이
물을 기반으로 하듯이요.

일반적으로,

물은 화학 물질이 결합하기
아주 좋은 조건을 제공합니다.

아주 특별한 액체죠.

이게 우리에게 필요한
두 번째 요소입니다.

그리고 이제 세 번째 요소는

제 생각엔 좀 놀라실 것 같아요.

유기적인 생명체에 대해
이야기하는 것이니

유기물도 좀 있어야 하겠죠.

그런데 생체 분자를 생산할 수 있는

화학 네트워크 중심의 유기 분자가

바로 사이안화수소입니다.

이 분자가 어떤 특징을 가지는지
아시는 분들은

이걸 최대한 멀리하는 게
좋다는 걸 알고 계실 거예요.

하지만 알고 보면

여러분처럼 진화된 생물체에

아주 아주 안 좋은 것들이

사실 생명의 시작으로 이어지는
적절한 화학 반응을 일으키는 데는

아주 아주 유익하답니다.

이제 우리가 필요한
세 가지 요소를 다 갖췄어요.

생명이 살기에 적합한 행성,

물 그리고 사이안화수소 말입니다.

이 세 가지를 다 갖출 수 있는
확률이 얼마나 될까요?

온 우주의 행성 중에
생명이 살기에 적합하면서

물과 사이안화수소를 갖춘
행성이 몇이나 될까요?

이상적으로는

망원경을 들어 생명이 살기에
적합한 행성 중 하나에 초점을 맞추고

우리 눈으로 직접 보면 좋겠지요.

"이 행성에 물이랑
사이안화수소가 있나?" 하면서요.

하지만 안타깝게도 아직은
그렇게 큰 망원경이 없습니다.

어떤 행성의 대기권에서
분자들을 탐지할 수는 있어요.

하지만 그런 행성은 항성에서 꽤 가까운

커다란 행성입니다.

우리가 지금 얘기하는
적당한 행성 같지는 않아요.

저희가 찾는 건 훨씬 작고
멀리 떨어져 있는 행성입니다.

그래서 저희는
다른 방법을 찾아야 합니다.

저희가 확신을 가지고
새롭게 적용하게 된 방법은

이미 존재하는 행성에서
해당분자를 찾는 대신에

새로운 행성을 구성하는 물질에서
그 분자를 찾는 것입니다.

행성은 어린 별 주변의 먼지와
기체로 이루어진 원반에서 만들어집니다.

이 원반들을 형성하는 물질은
성간 물질로부터 오죠.

여러분이 존재론적 질문을 던지며

하늘을 올려다볼 때 보이는
별과 별 사이의 공간은

보이는 것처럼 비어있는 게 아니에요.

알고 보면 기체와 먼지로
가득 차 있습니다.

그것들이 성운을 형성하고

중심이 내려앉아 원반을,
별과 행성을 만드는 거죠.

그리고 이 성운을 관찰할 때
항상 함께 볼 수 있는 것은

물입니다.

제 생각에는 우리가 물을

특별한 물질로 생각하는
경향이 있는 것 같아요.

사실 물은 이 우주에서 가장
풍부한 분자 중 하나예요.

성운에도 많이 있습니다.

별들과 행성을 만드는
성운에도 물 분자는 풍부합니다.

뿐만 아니라

물은 꽤 강한 분자이기도 합니다.

파괴하기가 쉽지 않죠.

성간 물질에 있는 물 대부분은

성운에서 원반, 행성이 되는

파괴적이고 위험한 과정을
거치고도 그대로 남아 있습니다.

그러니까 물에 대해
걱정할 필요는 없습니다.

이 두 번째 필수 요소는
문제가 되지 않을 거예요.

새로 만들어지는 대부분의 행성에는
물이 조금이라도 있을 겁니다.

자, 그럼 사이안화수소는 어떨까요?

이 성간 성운에서는

사이안화물을 비롯한 다른
비슷한 유기 분자를 볼 수 있습니다.

하지만 성운에서 원반이 되는 과정에서

이 분자들이 그대로 남아 있을지는
물 만큼 확실하지 않아요.

조금 더 섬세하고 연약하거든요.

그래서 이 사이안화수소가

새로 만들어지는 행성의
근처에 있는지 알려면

행성을 만드는 원반,

그 자체에서 찾아야 합니다.

약 10년 전쯤

저는 이 행성을 형성하는 원반에서

사이안화수소를 비롯한 다른 분자를
찾는 연구를 시작했습니다.

이것은 그 결과입니다.

좋은 소식은
이 여섯 개의 이미지에 나타난

저 밝은 부분이 사이안화수소에서
뿜어져 나온 것이란 점입니다.

몇백 광년 떨어진
행성을 만들어내는 원반의

사이안화 수소에서 나온 물질이
우리의 망원경에 도달하고

포착되어서

이렇게 우리가 볼 수 있게 되었습니다.

그 원반에 사이안화수소가
정말 존재한다는 뜻인 거죠.

좀처럼 찾기 어려운
마지막 요소 말입니다.

나쁜 소식은

원반 내 어디에 사이안화수소가
존재하는지 알 수 없다는 점입니다.

여기를 보시면,

이게 잘 나왔다고 할 수 있는
사진은 아니잖아요.

저희가 막 찍었을 때도 그랬거든요.

여기 픽셀이 꽤 큰 게 보이시죠.

사실 픽셀은 원반 자체보다도 큽니다.

여기 있는 픽셀 하나하나가

우리 태양계보다 훨씬 큰
무언가를 나타내고 있어요.

그건 곧, 우리가

이 원반 어디에서 사이안화수소가
나오는지 모른다는 겁니다.

이는 문제가 됩니다.

왜냐하면 이 생명이 살기에
적절한 행성들이

아무 데서나 사이안화수소를
이용할 수 있는 게 아니거든요.

사이안화수소가 행성이
형성된 곳에서 꽤 가까이 있어야

이용할 수 있습니다.

좀 더 이해하기 쉽게
비슷한 예를 하나 들어볼게요.

미국에서 자라는 노송나무의 예입니다.

여러분이 유럽에서
막 돌아왔다고 가정해 봅시다.

유럽에서 아름다운
이탈리아 노송나무를 보고서

미국에도 들여오면 되지 않을까?
하는 생각이 드는 거죠.

여기서 키울 수 있을까 하고요.

그래서 여러분이
노송나무 전문가와 얘기했더니,

전문가가 너무 덥지도 춥지도 않아서
노송나무를 키울 수 있는 지역이

미국에도 있다고 하는 거예요.

여러분에게 이처럼 고해상도의
지도나 사진이 있다면

노송나무가 살 수 있는 지역을
나타내는 이 긴 줄이

초록색으로 표시된 비옥한 토지와
겹치는 걸 쉽게 보실 수 있을 겁니다.

지도의 화질을 낮춰서

훨씬 더 낮은 해상도로 바꿔도

이 비옥한 땅이랑

겹치는 부분이 있다는 걸 알 수 있죠.

그런데 만약 미국 전체가

픽셀 하나에 포함된다면 어떨까요?

해상도가 이렇게나 낮으면요.

어떻게 해야 할까요?

미국에서 노송나무를 키울 수 있을지
없을지 알 수 있을까요?

알 수가 없겠죠.

비옥한 땅이 분명히
어느 정도는 있을 겁니다.

그렇지 않으면 초록빛이
픽셀에 아예 없을 테니까요.

하지만 그 초록색이
적절한 부분에 있는지는

전혀 알 수가 없습니다.

이게 바로 우리가

단일 픽셀 이미지로만 보는 원반에서

사이안화수소를 찾으려 할 때
직면하는 문제입니다.

우리가 필요한 것도
예를 들어드린 것과 비슷합니다.

최소한 제가 보여드렸던
저해상도 지도처럼

사이안화수소가 있는 부분과
행성이 형성되며 이용하는 부분이

서로 겹치는지 볼 수 있어야 합니다.

다행스럽게도 몇 년 전

정말 아름답고 멋진 새로운 망원경,

아타카마 거대 전파망원경 집합체,
알마(ALMA)가

북부 칠레에 설치되었습니다.

알마는 여러 방면에서 매우 놀랍지만,

제가 특별히 강조하고 싶은
부분은 따로 있습니다.

저는 이 망원경을
하나의 망원경으로 부릅니다만,

사진에서 보시다시피 여러 개의
전파 망원경으로 이루어져 있습니다.

이 망원경은 함께 움직이는
66개의 전파 망원경으로

이루어진 하나의 망원경입니다.

그것은 곧 이 망원경의 크기가

이 망원경을 구성하는
모든 전파 망원경들을

서로 가장 멀리 늘어놓았을 때의
거리 만큼이라는 뜻입니다.

알마같은 경우에는
몇 킬로미터씩 됩니다.

우리가 수 킬로미터가 넘는
망원경을 가지게 된 것입니다.

이렇게 큰 망원경이 있으면

아주 자그마한 것도
크게 확대해서 볼 수 있어요.

행성을 형성하는 이 원반에 있는
사이안화수소 지도를 포함해서요.

몇 년 전 ALMA가 처음
인터넷에 올라왔을 때

저는 첫 번째로 사이안화수소
지도를 보자고 제안했습니다.

원반 안의 사이안화수소 지도는
어떤 모습일까?

있어야 할 자리에 있는 걸까?

정답은, 그렇습니다.

이게 그 지도예요.

사이안화수소가 배출되어
원반 전체로 퍼지는 게 보이시죠.

우선 사이안화수소가 대부분의
공간을 채우고 있어요.

아주 좋은 소식이죠.

그런데 항성 부근에서 원반의 중심으로

특히 더 밝은 배출이
일어나는 것이 보입니다.

바로 이 부분이
우리가 보고 싶은 부분입니다.

바로 이 근처에서 행성이
만들어지고 있는 거죠.

원반 하나에서만 이런 모습이
나타나는 게 아닙니다.

여기 예시가 세 개 더 있습니다.

모두 동일하게

밝게 표시된 수많은 사이안화수소 배출이

별의 중심 쪽에서 일어나고
있는 것이 보이실 겁니다.

사실 언제나 이런 걸
볼 수 있는 것은 아닙니다.

정반대의 현상을 볼 때도 있어요.

중심에 검은 구멍이 있는 거죠.

우리가 기대하는 것과는
다릅니다, 그렇죠?

행성이 만들어지는 부근에
사이안화수소가 있더라도

이런 경우에는 연구를 할 수 없습니다.

하지만 대부분의 경우에는

저희는 사이안화수소를 그냥
탐지하는 게 아니라

알맞은 자리에 있는지
동시에 보게 됩니다.

이게 무슨 의미일까요?

제가 처음에

생명이 살기에 적합한 행성들이

수십억 개쯤은 될 거라고
말씀드렸습니다.

알맞은 요소만 갖추면

생명이 자랄 수 있는 행성들이지요.

그리고 또 많은 경우에

알맞은 요소를 이미 갖추고
있는 것으로 보인다고도 말씀드렸죠.

물, 사이안화수소,

그리고 사이안화물에 딸려오는

유기 분자가 있을 거란 것도
말씀드렸습니다.

말하자면 생명체가 존재하기 위한
기본 요소를 갖춘 행성들이

우리 은하계에
엄청나게 흔하다는 겁니다.

그리고 생명체를 만드는 데 필요한 것이

이 기본 요소들뿐이라면

우리 말고도 생명체 있는 행성이
훨씬 더 많아야겠죠.

물론 상당 부분 가설이지만요.

그러니 제 생각에 향후 몇십 년 동안

천문학과 화학이
함께 해결하게 될 과제는

앞으로 얼마나 자주

생명체가 존재할 수 있는
가능성이 있는 행성에서

생명체가 실제로 존재하는 행성을
찾는가 하는 것일 겁니다.

감사합니다.

(박수)