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바다 행성

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목차

1. 개요

바다 행성은 액체 물로 덮여 있는 행성 또는 위성을 의미하며, 1970년대부터 이론적 연구가 진행되어 왔다. 태양계 내에서는 유로파, 엔켈라두스 등이 지하 해양을 품고 있는 것으로 추정되며, 케플러 우주망원경 등으로 글리제 1214 b 등과 같은 외계 행성 후보들이 발견되었다. 바다 행성은 생명체 발생 및 거주 가능성 측면에서 우주 생물학자들의 관심을 받고 있으며, 행성의 구조, 대기 모형, 구성물 모형 연구가 진행되고 있다. 바다 행성의 생명체 존재 가능성은 표면의 물 덮개나 압력에 따라 제한될 수 있으며, 핵과 바다가 직접 맞닿아 있는 구조가 생명체 거주에 더 적합할 수 있다.

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바다 행성
개요
유형행성 유형
하위 유형외계 행성
특징상당량의 물 또는 기타 액체를 포함
세부 사항
설명행성 질량의 상당 부분을 물이 차지하는 가상의 행성 유형
표면 특징표면은 수백 킬로미터 깊이의 바다로 완전히 덮여 있음 (지구의 바다보다 훨씬 깊음)

2. 역사

1970년대부터 행성 탐사 미션에 앞서 이론적인 연구가 수행되었다. 1971년 루이스는 암모니아가 존재한다면 방사성 붕괴만으로도 지표면 아래 바다가 생길 수 있다고 주장했다.[83] 1979년 Peale와 Cassen은 조석가열이 자연 위성의 진화와 구조에 중요한 역할을 담당한다고 주장했다.[83] 1992년 외계 행성의 발견 사실이 최초로 검증되었다. 2004년 알랭 레제(Alain Léger) 연구진은 얼음행성들 중 일부가 어머니 항성으로부터 1 천문단위 거리까지 이동해 온 뒤, 행성의 가장 바깥 층이 녹을 수 있다고 주장했다.[113][101]

허블 우주망원경, 파이어니어, 갈릴레오, 보이저, 카시니-하위헌스, 뉴 허라이즌스 계획 등으로부터, 태양계 바깥쪽 여러 천체에 얼음 껍질 아래 액체 물로 된 바다가 있음이 밝혀졌다.[83][98] 2009년 3월 7일 발사된 케플러 우주망원경은 외계행성 수천 개를 발견했는데, 그 중 대략 지구급 질량 행성 50개 정도가 생물권 안이나 근처를 돌고 있음을 밝혀냈다.[99][100]

발견된 외계행성들의 대다수는 질량, 반지름, 궤도가 밝혀졌으며, 행성이 태어나는 다양한 원리, 행성이 처음 태어난 곳에서 항성주위 원반 내 다른 곳으로 궤도를 옮긴다는 사실을 알게 되었다.[112]

2020년 6월, 미국 항공우주국 과학자들은 수학적 모델 연구를 바탕으로 바다가 있는 외계 행성이 은하수 은하에서 흔할 수 있다고 보고했다.[33]

2022년 8월, 잠재적인 깊은 바다를 가진 근처의 슈퍼 지구 외계 행성인 TOI-1452 b가 외계 행성 탐사 위성에 의해 발견되었다. 행성의 궤도를 고정된 것으로 생각했던 고전적인 행성 형성 이론과 달리, 별 근처를 공전하는 외계 행성이 다수 발견되면서 행성 이동이 일반적인 현상으로 받아들여지게 되었다. 원시 행성의 이동으로 해양 행성이 형성된다는 발상은 이러한 인식 변화 속에서 등장했으며, 2003년 마크 쿠치너(Marc Kuchner)와 알랭 레제(Alain Léger)가 초기 논의를 진행했다.[64]

2. 1. 태양계 내 천체



우주생물학자들은 지질학적 시간대에 걸쳐 생명체가 진화하며 생물학적 활동이 유지될 가능성이 있다는 점에서 바다 행성에 큰 관심을 가지고 있다.[84][83] 1971년 루이스는 암모니아 (NH3) 존재 하에 방사성 붕괴만으로도 큰 위성에서 지하 바다가 생성될 수 있음을 보였다. 1979년 피일과 카센은 위성의 진화와 구조에 조석 가열이 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈다.[3]

허블 우주 망원경, 파이오니어, 갈릴레오, 보이저, 카시니-호이겐스, 뉴 호라이즌스 임무를 통해 수집된 증거는 여러 외태양계 천체가 단열 얼음 껍질 아래에 내부 액체 물 바다를 품고 있음을 강력하게 시사한다.[3][30] 바다 행성으로 가장 유력하게 인정받는 태양계 내 천체는 유로파, 엔셀라두스, 가니메데, 칼리스토이다.[83]

지표면 아래에 바다가 있을 것이라고 추정되는 태양계 내 다른 천체들로는 디오네, 명왕성, 트리톤, 세레스,[83][89][90][91][92][93] 미마스,[94][95] 에리스,[84][96] 오베론[84][97]이 있다.

2. 2. 외계 행성

1992년 외계 행성의 발견 사실이 최초로 검증되었다. 2004년 알랭 레제(Alain Léger) 연구진은 얼음 행성 중 일부가 항성 가까이 이동한 뒤 표면이 녹아 바다를 형성할 수 있다고 주장했다.[113][101]

케플러 우주망원경 등의 관측을 통해 글리제 1214 b, 케플러-22b, 케플러-62e, 케플러-62f,[20][21][22][23] 케플러-11,[27] TRAPPIST-1 행성계[24][25] 등 외계 바다 행성 후보들이 발견되었다.

가상의 바다 행성과 자연 위성 둘의 상상화.


가스 행성과 용암 행성 또는 암석 행성 사이의 얼음 거대 행성과 함께 과도기 그룹으로 순수하게 대양 세계를 가진 외계 행성


2020년 NASA 과학자들은 수학적 모델 연구를 바탕으로 바다가 있는 외계 행성이 은하수에 흔할 수 있다고 보고했다.[33]

2022년 TOI-1452 b, 케플러-138c, 케플러-138d 등 물이 풍부한 외계행성 후보들이 추가로 발견되었다.

외계 바다 행성의 해양은 매우 깊고 밀도가 높아서 높은 온도에도 불구하고 압력에 의해 물은 얼음 V처럼 독특한 형태의 얼음으로 바뀔 것이다.[27] 만약 이 행성이 어머니 항성에 충분히 가까워서 물이 끓는점에 도달한다면 물은 초임계유체로 변하여 표면을 명확히 정의할 수 없게 될 것이다.[28]

3. 형성

태양계 바깥쪽에서 태어나는 행성급 천체들은 질량상 물과 암석이 대략 반반 섞인, 혜성과 비슷한 혼합물 상태로 진화를 시작한다.[101] 동결선 근처에서 생겨난 행성과 위성들은 대부분 물과 규산염으로 이루어져 있다. 이보다 먼 곳에서 생성된 천체들은 일산화탄소, 질소, 이산화탄소, 수화물 형태의 암모니아(NH3) 및 메테인(CH4)을 모을 수 있다.[102]

황소자리 HL과 원시행성계 원반을 아타카마 대형 밀리미터 집합체로 찍은 사진.


가스로 이루어진 별주위원반이 흩어지기 전 태어난 행성(특히 암석행성 질량 정도 천체)은 강력한 토크로 인해 생명체 거주가능 영역으로 빠르게 이동할 수 있다.[115][102] 행성이 식으면서 맨틀이 바닥부터 고체가 되기 시작하면 다량의 물(맨틀 내에 있던 물 중 60~99%)은 수증기 형태로 방출되는데, 이 수증기는 최종적으로 응축되어 바다를 만든다.[115] 바다가 만들어지려면 행성 분화, 가열원, 방사성 붕괴, 조석 가열 혹은 어머니 항성의 초창기 광도 등이 필요하다.[83]

강착원반 바깥쪽 물이 풍부한 영역에서 태어난 뒤 안쪽으로 이동해 온 행성들은 물을 보다 풍성하게 지니고 있을 것이다.[103] 반대로 뜨겁고 메마른 어머니 항성 가까이에서 태어난 행성들은 물을 지닐 확률이 작을 것으로 보인다. 따라서 만약 어떤 바다 행성이 항성 가까이에서 발견된다면 행성이 현재와는 다른 곳에서 생겨나서 자리를 옮긴 강력한 증거가 될 것이며,[119] 이는 항성 근처의 원시행성계 원반에는 휘발성 물질이 부족하기 때문이다.[82] 안쪽 이동은 얼음 행성이 항성에 가까운 궤도로 이동하여 얼음이 녹아 액체로 된 바다를 형성할 수 있음을 보여준다. 이 가능성은 2004년 마크 쿠치너[102]와 알랭 레제가 천문학 문헌상에서 최초로 논의했다.[107]

3. 1. 구조

가니메데의 내부 구조를 천체 예술가가 표현한 그림. 액체 물로 된 바다는 샌드위치 내용물처럼 얼음층 둘 사이에 끼어 있다. 각 층의 두께는 실제 비율에 맞게 그려졌다.


일반적인 얼음 위성은 규산염질 핵 위를 물층이 덮고 있는 구조를 이룬다. 엔셀라두스처럼 작은 위성은 바다가 규산염질 핵 바로 위, 딱딱한 얼음 껍질 바로 아래와 직접 맞닿아 있다. 그러나 가니메데처럼 더 크고 얼음이 풍부한 천체는 내부 압력이 충분히 높기 때문에 가장 깊은 곳의 얼음층은 높은 압력에서 가능한 형태로 존재하며, 이 천체의 내부는 위아래 얼음 껍질 사이에 위치한 '물 샌드위치' 구조를 효과적으로 이룬다.[83] 이 두 사례 사이의 중요한 차이점은 작은 위성의 경우 바다가 규산염질 핵과 직접 접촉한다는 것이다. 이 핵은 열수, 화학적 에너지, 영양소를 단순한 형태의 생물에게 공급할 수 있다.[83] 심해에서의 다양한 압력 때문에 바다 행성 모형에는 수증기, 액체, 초유체, 고압력 얼음, 플라스마 상태 등 다양한 종류의 물이 등장할 수 있다.[108] 고체 상태 물 중 일부는 얼음 VII도 있을 수 있다.[109]

4. 대기 모형

행성의 표면에 물이 액체 상태로 존재하려면, 생명체 거주가능 영역 내에서 공전하고 항성풍을 막는 자기장이 있어야 하며, 충분한 대기압을 유지할 수 있는 중력을 가져야 한다.[110][111][112][87] 행성 대기는 온실 효과를 통해 행성 표면 온도를 결정하며, 외계 행성의 경우 적외선 복사 형태로 관측할 수 있다.[112]

온실 효과가 폭주하면 수증기는 성층권에 도달하고 자외선에 의해 쉽게 쪼개진다. (광분해) 자외선 복사로 상층 대기가 가열되면 수소(및 일부 산소)가 우주로 탈출하여 행성에 있던 물이 영구히 소실되고, 행성 표면이 산화되며 대기에 산소가 축적된다.[115] 휘발성 물질이 풍부한 행성은 젊은 별과 적색왜성의 생명체 거주가능 영역 내에 보다 흔할 것이다.[102]

케플러-62f의 대기 모형에 따르면, 이산화탄소 대기압이 1.6~5 바 사이에서 형성될 경우 표면 온도가 어는점 위로 올라가는데, 이는 지구 대기압의 0.56~1.32배에 해당한다.[116] 분자 산소()는 생물체의 광합성 외에 지구물리학적 과정을 통해서도 만들어질 수 있으므로, 분자 산소의 존재가 생명체 존재를 추정할 신뢰할 만한 증거는 아니다.[107][115][132][112] 대기 중 산소 농도가 높은 행성은 생명체가 살기에 적합하지 않을 수 있다.[115]

5. 구성물 모형

생물권 내에 있으면서 다량의 물로 이루어진 행성들은 표면과 대기에서 독특한 지구화학적 특성을 보인다.[116] 대기 구성, 이산화탄소 소멸, 행성 표면과 내부의 산화 환원 반응, 바다의 산성도, 행성 알베도, 표면 중력 등은 여러 표면 및 내부 과정의 영향을 받는다.[112][117]

이론 및 컴퓨터 모형에 따르면 생물권 내 바다 행성의 대기 조성은 육지-바다 행성과 큰 차이가 없다.[116] 초기 얼음 미행성들은 혜성과 유사하게 물, 소량의 암모니아, 이산화탄소로 구성되어 있다고 가정한다.[116] 이렇게 형성된 바다 행성의 대기는 물 90%, 암모니아 5%, 이산화탄소 5%로 구성된다.[116][118]

케플러-62f의 대기 모형에서 이산화탄소 대기압이 1.6~5 바일 때 표면 온도가 어는점 위로 올라가는데, 이는 지구 대기압의 0.56~1.32배이다.[116]

6. 우주생물학

바다 행성은 지질학적 시간대에 걸쳐 생명체가 진화하며 생물학적 활동이 유지될 가능성이 있다는 측면에서 우주생물학자들의 관심을 크게 끄는 천체이다.[84][83] 우리가 아는 형태의 생명체는 액체 물, 에너지원, 영양소를 필요로 하며, 이 세 가지 핵심 요소는 외계 바다 행성에도 존재할 가능성이 있어[83] 지질학적 시간에 걸쳐 단순한 생물학적 활동을 유지시켜 줄 수 있다.[83][84]

만약 바다 행성 표면이 완전히 물로 뒤덮여 있다면 지구와 비슷한 생명체가 바다 행성에서 살 가능성은 제한되며, 압력을 받아 고체가 된 얼음층이 위쪽 물층과 아래쪽 암석 맨틀 사이를 가로막을 경우 그 가능성은 더욱 희박해진다.[129][130] 지구 바닷물 질량 5배를 보유한 가상 바다 행성을 모의실험한 결과, 이런 행성의 바닷물에는 지구의 플랑크톤처럼 산소를 생산하는 해양생물이 진화하는 데 필요한 인과 기타 영양소들이 충분히 포함되어 있지 않을 것으로 추정되었다. 지구에서 인은 비가 지표면에 노출된 암석을 때리면서 암석으로부터 나와 물에 섞여 바다로 흘러들어가나, 바다 행성에서는 이 메커니즘이 작동하지 않을 것이다.[131]

반대로 유로파나 엔셀라두스처럼 작은 천체들은 특히 생물체가 살 수 있는 환경으로 간주된다. 이런 천체들의 바다는 그보다 아래에 있는 규산염질 핵과 직접 맞닿아 있는데, 이 핵은 열 및 생물학적으로 중요한 화학 원소들을 잠재적으로 공급하기 때문이다.[83]

분자 산소(O₂)는 생물체의 광합성 외에 지구물리학적 과정을 통해서도 만들어질 수 있다. 따라서 분자 산소의 존재는 생명체 존재를 추정할 신뢰할 만한 증거는 아니다.[107][115][132][112] 대기 중 산소 농도가 높은 행성들은 생명체가 살기에 적합하지 않을 수도 있다.[115] 다양한 수소 화합물이 만드는 산화 환원 반응을 통해 자유 에너지가 발생하는데, 원시 유기체들은 이 자유에너지에 의존하기 때문에 산소가 대기 중에 막대한 상태에서 생명체가 태어나기는 어려울 것이다. 따라서 산소가 풍부한 행성에 있는 생물체들은 이 자유에너지를 얻기 위해 산소와 맞서 싸워야 할 것이다.[115]

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