제임스 웹 망원경 두번째 이야기, TRAPPIST-1, 생물서명, 우주 물리학

제임스 웹 망원경 두번째 이야기입니다. 수천 년 동안 우주에 우리만 존재할까에 대한 의문은 대대로 인류를 매혹시켜 왔습니다. 천문학자, 생물학자, 그리고 물리학자에 이르기까지 과학계는 지금 이 거대한 퍼즐의 실마리를 찾기 위해 제임스 웹 우주 망원경이 우주 관측의 판도를 바꾸고 있습니다.

TRAPPIST-1 항성계 대체 이미지

TRAPPIST-1 항성계

제임스 웹 망원경은 외계 생명체 존재 가능성을 과학적으로 추적할 수 있는 정밀 기기입니다. 특히 적외선 분광 기술을 활용한 외계 행성 대기 분석은 생명 존재의 간접 증거를 찾는 핵심 열쇠입니다. 제임스 웹 망원경은 대기 중 수증기, 이산화탄소, 메탄, 오존 등 생명 활동과 관련 있는 분자를 포착할 수 있습니다. 이러한 데이터는 행성의 온도, 화학 조성, 대기 순환 구조, 나아가 생명체 존재 가능성까지 유추하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, TRAPPIST-1 항성계의 일부 행성은 이미 제임스웹 망원경의 관측 대상으로 선정되어 분석이 진행 중입니다. 특히 TRAPPIST-1e는 지구와 매우 유사한 크기와 밀도를 지니며, 생명체가 살 수 있는 온도를 유지할 가능성이 있어 큰 주목을 받고 있습니다.

 

2018년 2월, 7개 행성에 대한 연구를 지속하며, 일부 행성에는 지구의 바다보다 훨씬 많은 물이 있을 수 있다는 사실을 예측하였으며 별에 가장 가까운 행성에서는 일부 행성의 물이 대기 증기의 형태로 존재할 수 있고, 다른 행성에서는 액체 물의 형태로 존재할 수 있으며, 가장 먼 행성에서는 얼음의 형태로 존재할 수 있습니다. 이 연구는 각 행성의 밀도에 대한 더욱 정확한 추정치를 습득하여, 이를 통해 TRAPPIST-1은 우리 행성계와는 달리 여러 종류의 행성계 중에서 가장 철저하게 연구된 행성계가 되었습니다. 2021년 더 많은 것을 알게 되었는데 지구와는 다르지만 암석 물질이 비슷한 비율을 포함하고 있음을 시사하였습니다. 

제임스 웹 망원경의 임무

향후 제임스 웹 망원경의 과학 임무는 단순한 외계 행성 탐사를 넘어, 우주 생명체 탐사의 전략적 이정표를 세우는 데 중점을 두고 있습니다. 또한, 생명체 탐사의 효율성을 높이기 위해 생명 존재 가능성이 높은 행성들을 체계적으로 선별하는 작업도 이루어집니다. 이른바 골디락스 존, 즉 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 항성 거리대에 위치한 행성들이 주요 후보입니다. 이 분석은 복사전달 이론, 행성 궤도역학, 그리고 항성의 분광형 분석을 종합적으로 활용하여 이루어집니다. 마지막으로, 다중 파장의 공동 관측 체계를 구축하여 지상의 전파,적외선 관측소 및 차세대 우주망원경과의 데이터 융합을 꾀하고 있습니다. 이는 단일 파장대의 한계를 넘어서 다양한 물리 현상을 종합적으로 해석하는 데 필요한 핵심 전략으로, 데이터 동기화 및 스펙트럼 보정과 같은 첨단 계산천문학 기술이 동반됩니다.

 

이외에도 제임스 웹 망원경은 행성 형성과 대기 진화 과정을 보다 정밀하게 재현하기 위한 통합 시뮬레이션에 착수하고 있습니다. 항성에서 방출되는 고에너지 복사선, 자외선, 우주선 등의 입자가 행성의 대기 화학 조성에 미치는 영향을 반영하여, 행성의 진화적 타임라인을 물리학적 관점에서 정량화하려는 시도입니다. 먼저, 제임스 웹 망원경은 외계 행성의 대기 조성을 정밀하게 모델링함으로써 생물서명의 시그니처를 복합적으로 식별하고자 합니다. 단일 성분보다는 산소, 메탄, 이산화탄소 등의 특정 조합이 생명 활동의 지표로 간주되며, 이들 분자의 상대적 농도와 존재 유무는 대기의 화학적 평형에서 벗어난 상태를 가리킬 수 있습니다. 이는 열역학적 비평형 상태로, 생명 활동이 개입된 시스템의 전형적인 특성이기도 합니다.

생물서명

생물서명은 외계 생명체 존재 가능성을 뒷받침하는 가장 핵심적인 간접적 물리적 지표입니다. 제임스 웹 망원경은 단일 분자의 존재 여부에 의존하지 않고, 여러 화학적 조성의 스펙트럼적 상관성을 고해상도로 분석함으로써 보다 신뢰성 있는 생물서명 분석을 수행할 수 있도록 설계되었습니다. 예를 들어, 대기 중 메탄과 이산화탄소가 동시에 존재하면서 일산화탄소는 결핍된 상태라면, 이는 열역학적으로 불안정한 조성입니다. 이러한 조합은 광합성 혹은 유기 대사 작용에 의해 유지되는 평형에서 벗어난 상태, 즉 열역학적 비평형 상태를 의미하며 이는 고등 생명 활동이 개입했을 가능성을 시사합니다. 즉, 생물서명의 판별은 정교한 물리 이론과 실측 데이터의 교차 검증을 통해 이루어지는 과학적 추론 과정입니다. 제임스 웹 망원경은 이러한 물리 기반 탐사 방식의 전환점을 제시하며, 외계 생명 탐사에서 하나의 새로운 기준점을 설정하고 있습니다.

 

이러한 분석은 단순한 분광학적 측정으로 끝나지 않습니다. 복사전달 방정식의 수치해석, 대기 시뮬레이션 모델링, 그리고 분자 충돌 단면에 대한 양자역학적 고려가 병행되어야 합니다. 특히 제임스 웹 망원경은 중적외선 대역의 고감도 분광기를 통해, 분자의 회전 및 진동 전이 모드를 정밀 측정하고, 이를 통해 생물활동에서 유래한 분자의 농도 분포를 역산해냅니다. 생물서명은 외계 생명체 존재 가능성을 뒷받침하는 가장 핵심적인 간접적 물리적 지표입니다. 제임스 웹 망원경은 단일 분자의 존재 여부에 의존하지 않고, 여러 화학적 조성의 스펙트럼적 상관성을 고해상도로 분석함으로써 보다 신뢰성 있는 생물서명 분석을 수행할 수 있도록 설계되었습니다. 제임스 웹 망원경은 단순히 외계 행성의 존재를 확인하는 수준을 넘어, 그 행성에서의 지속 가능한 생명 환경까지 평가합니다. 이로써 우리는 우주의 끝자락에서 생명의 숨결을 찾는 여정을 이어가고 있습니다. 이 망원경은 또한 향후 발사될 차세대 미션들의 방향을 결정짓는 파일럿 역할도 수행합니다. 예를 들어, HabEx나 LUVOIR와 같은 차세대 프로젝트는 제임스 웹 망원경의 데이터를 토대로 설계되고 있습니다.

마무리

우리가 우주로 보낸 제임스 웹 망원경은 인류의 질문에 대한 집요한 응답이자, 과학이 펼치는 가장 아름다운 시도라 할수 있습니다. 아직 생명의 흔적은 발견되지 않았지만, 우리는 매 관측마다 조금씩 그 가능성에 다가가고 있습니다. 이 여정은 끝이 아니라 시작입니다. 생명을 향한 시선은 오늘도 우주를 향해 열려 있습니다.