글리제 581 c

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1. 개요
2. 발견
3. 물리적 특징
4. 생명체 서식 가능성 및 기후
5. 지구로부터의 메시지 (A Message from Earth)
6. 한국의 관련 연구 및 반응
참조

1. 개요

글리제 581 c는 2007년 4월에 발견된 외계 행성으로, 글리제 581의 생물권 내에 위치한 최초의 지구형 행성으로 보고되었다. 최소 질량은 지구의 약 5.36배이며, 공전 주기는 약 13일이다. 이 행성은 생명체 거주 가능성에 대한 초기 긍정적 평가와는 달리, 대기 중 온실 효과로 인해 생명체가 살기 힘든 환경일 것이라는 연구 결과가 제시되었다. 2008년에는 이 행성을 향해 "어스 프롬 어스"라는 메시지가 전송되었으며, 발견 이후 외계 생명체 존재 가능성에 대한 대중적 관심을 불러일으켰다.

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글리제 581 c
기본 정보
글리제 581c와 지구, 해왕성의 크기 비교
명칭	글리제 581 c
다른 명칭	GJ 581 c Gl 581 c 천칭자리 HO 별 c HIP 74995 c BD-07 4003 c 볼프 562c 2MASS J15192689-0743200 c TYC 5594-1093-1 c
별자리	천칭자리
분류	태양계 외 행성 슈퍼지구
발견
발견일	2007년 4월 4일
발표일	2007년 4월 24일
발견자	스테판 우드리 등
발견 장소	라 실라 천문대
발견 방법	도플러 분광법
궤도 정보
모항성	글리제 581
궤도 종류	공전 궤도
궤도 장반경	0.0718 ± 0.0008/0.0009 천문단위
궤도 이심률	0.032 ± 0.027/0.021
공전 주기	12.9211 ± 0.0008/0.0007 일
궤도 경사각	47 ± 15/13 도
근점 통과 시간	2454759.2 ± 0.1
근일점 인자	16 ± 61/89 도
반진폭	3.1 ± 0.1 m/s
위치 정보
원기	J2000.0
고유 운동 (적경)	-1227.67 밀리초/년
고유 운동 (적위)	-97.78 밀리초/년
거리	20.24 ± 0.33 광년 (6.21 ± 0.10 파섹)
물리적 특징
질량	6.81 ± 0.21/1.16 지구 질량
반지름	2.8823 지구 반지름

2. 발견

스위스 제네바 천문대 소속 스테판 우드리 연구팀은 2007년 4월 24일 이 행성을 발견했다.^[63] 칠레 소재 라 실라 천문대의 유럽 남방 천문대 3.6미터 망원경에 설치된 HARPS 기구가 발견에 사용되었다. 첫 발견 후 6주 동안 MOST 우주 망원경을 이용한 검토 작업이 진행되었다. 검토 기간 중 행성이 항성 앞을 지나가는 사건은 발생하지 않아 행성 크기를 직접 알 수는 없었다. 그러나 항성의 겉보기 등급이 거의 변하지 않기 때문에 행성이 항성으로부터 받는 열은 크게 변하지 않고 일정할 것으로 추측할 수 있다.^[64]

우드리 팀은 2007년 4월 27일 자신들의 관측 사실을 논문으로 발표했으며, 같은 해 7월 《천문학 및 천체물리학》 저널에 게재했다.^[65] 이 논문에서 우드리 팀은 또다른 행성 글리제 581 d의 존재를 함께 발표했는데, d의 최소 질량은 지구의 7.7배이며 행성으로부터 0.25 천문 단위 떨어져 있었다.

발견 당시 이 행성은 별의 생물권 내에 있는 최초의 지구형 행성으로 보고되었으며,^[1] 주계열성을 공전하는 가장 작은 외계 행성으로 알려졌다.

3. 물리적 특징

지구(왼쪽)・해왕성(오른쪽)과 비교한 글리제 581 c(가운데). 암석형 행성으로 생각된다.

글리제 581 c는 항성 앞을 통과하는 현상이 관측되지 않아 정확한 반지름을 알 수 없다. 시선 속도법으로 측정된 최소 질량은 지구질량의 약 5.36배이며,^[66] 행성계의 동역학적 모의 실험 결과와 2024년 연구에서는 실제 질량이 이보다 더 클 수 있음을 시사한다.^[66]

만약 실제 질량이 최소 질량과 같다면, 글리제 581 c가 큰 철 핵을 가진 암석 행성일 경우 지구보다 약 50% 더 큰 반지름과 지구보다 약 2.24배 강한 표면 중력을 가질 것으로 추정된다. 반면, 얼음이나 물로 이루어진 행성이라면 지구의 2배 미만의 반지름과 최소 지구의 1.25배인 표면 중력을 가질 것으로 예상된다.^[2]

MIT의 사라 시거는 글리제 581c와 같은 지구 질량 5배 정도의 행성이 규산염, 철, 헬륨과 수소, 탄소, 얼음 VII, 일산화 탄소 등으로 구성될 수 있다고 추측했다.^[4]

글리제 581 c의 공전 주기는 약 13일이며, 항성과의 거리는 지구-태양 거리의 약 7%인 약 1,100만 km이다.^[7] 이는 태양으로부터 1억 5천만 km 떨어진 지구와 비교하면^[8] 매우 가까운 거리이다. 모항성인 글리제 581은 태양보다 작고 차가우며 덜 밝기 때문에, 이 거리는 별 주위의 생명체 서식 가능 구역의 "따뜻한" 가장자리에 해당한다.

글리제 581 c는 모항성에 매우 가까워 한쪽 반구는 항상 별을 향하고(영원한 낮), 다른 쪽은 항상 반대 방향을 향하는(영원한 밤) 조석 고정 상태일 것으로 여겨진다.^[10]^[11] 이러한 조석 고정으로 인한 조석 가열은 행성의 지질학에 중요한 역할을 할 수 있으며, 목성의 위성 이오보다 약 3배 더 큰 표면 열 흐름을 발생시켜 화산 및 판 구조 활동과 같은 주요 지질 활동을 초래할 수 있다.^[15]

3. 1. 질량

시선 속도법으로 측정된 글리제 581 c의 최소 질량은 지구질량의 약 5.36배이다.^[66] 행성계의 동역학적 모의 실험 결과, 실제 질량이 최소 질량의 1.6 ~ 2배를 초과할 경우 행성계가 불안정해진다고 한다. 글리제 581 c의 질량 상한선은 지구의 10.4배이다.^[66] 2024년 연구에서는 행성의 궤도 경사각을 결정하여 실제 질량을 측정했는데, 이는 최소 질량보다 약 30% 더 큰 지구 질량의 약 6.8배이다.

3. 2. 반지름

글리제 581c는 항성 앞을 통과하는 현상이 관측되지 않아 정확한 반지름을 알 수 없다. 행성을 감지하는 데 사용된 시선 속도법은 행성 질량의 하한값만 알려주기 때문에, 행성 반지름과 구조에 대한 이론적 모델은 제한적이다.^[30]

만약 실제 질량이 최소 질량과 같다고 가정하면, 다양한 모델을 통해 반지름을 추정할 수 있다. Udry 팀에 따르면, 글리제 581c가 큰 철 핵을 가진 암석 행성이라면 지구보다 약 50% 더 큰 반지름을 가질 것이며, 표면 중력은 지구보다 약 2.24배 강할 것이다. 그러나 글리제 581c가 얼음이나 물로 이루어진 행성이라면, Diana Valencia 팀의 밀도 모델에 따르면 지구의 2배 미만의 반지름을 가질 것이며, 표면 중력은 최소 지구의 1.25배일 것이다.^[2] 이들은 실제 반지름이 두 극단적인 값 사이에 있을 것이라고 주장한다.^[3]

MIT의 사라 시거는 글리제 581c와 같은 지구 질량 5배 정도의 행성이 다음과 같은 조성을 가질 수 있다고 추측했다.^[4]

대부분 규산염으로 이루어진 "암석 거대 행성"
고체 철로 이루어진 "포탄" 행성
대부분 헬륨과 수소로 이루어진 "가스 왜성"
탄소가 풍부한 "다이아몬드 행성"
순수한 뜨거운 "얼음 VII 행성"
순수한 "일산화 탄소 행성"

만약 이 행성이 별 앞을 통과한다면 반지름을 측정할 수 있지만, MOST 우주 망원경의 측정 결과 통과 현상은 발생하지 않는 것으로 나타났다.

최근 연구에 따르면, 슈퍼 지구의 암석 중심부는 태양계 내부 행성과 같은 육상 암석 행성으로 진화할 가능성이 낮으며, 큰 대기를 유지하고, 작은 암석 핵이 큰 수소가 풍부한 외피에 갇힌 채로 남아있을 가능성이 있다고 한다.^[5]^[6]

3. 3. 궤도

글리제 581c는 공전 주기가 약 13일이며, 항성과의 거리는 지구-태양 거리의 약 7%인 약 1,100만 km이다.^[7] 지구는 태양으로부터 1억 5천만 km 떨어져 있다.^[8] 모항성인 글리제 581은 태양보다 작고 차가우며 덜 밝기 때문에, 이 거리는 Udry 팀에 따르면 별 주위의 생명체 서식 가능 구역의 "따뜻한" 가장자리에 해당한다.

2009년 4행성 모델에 따른 글리제 581 시스템의 궤도. 그림에서 글리제 581c는 별에서 세 번째 행성이다.

글리제 581의 나이와 금속 함량에 해당하는 M0 별의 전형적인 반경은 0.00128 AU^[9]이며, 태양의 경우 0.00465 AU이다. 글리제 581c가 항성에 매우 가깝기 때문에, 행성 표면에서 하늘을 바라보면 지구에서 태양이 보이는 것보다 3.75배 더 넓고 14배 더 큰 면적으로 주성(글리제 581)이 보일 것이다.

글리제 581 c는 글리제 581에 비교적 가깝기 때문에, 한쪽 반구는 항상 별을 향하고(영원한 낮), 다른 쪽은 항상 반대 방향을 향하는(영원한 밤) 조석 고정 상태일 것으로 여겨진다.^[10]^[11] 항성 활동을 고려한 이 시스템에 대한 가장 최근의 궤도 적합성은 거의 원형 궤도를 나타내지만, 이전 적합성은 0.10에서 0.22 사이의 궤도 이심률을 사용했다. 만약 행성의 궤도가 타원형이라면, 격렬한 조석 변형을 겪을 것이다.^[12] 조석력은 행성이 별에 가까울 때 더 강하기 때문에 타원 궤도를 가진 행성은 궤도 주기보다 짧은 자전 주기를 가질 것으로 예상되며, 이를 유사 동기화라고도 한다.^[13] 이러한 효과의 예는 3:2 공명으로 조석 고정되어 두 번의 공전마다 세 번 자전하는 수성에서 볼 수 있다. 1:1 조석 고정의 경우에도 행성은 천칭동요를 겪게 되며, 천칭동요 동안 경계선은 번갈아 가며 밝아졌다 어두워질 것이다.^[14]

시간이 지남에 따른 행성 궤도의 진화 모델은 이러한 조석 고정으로 인한 조석 가열이 행성의 지질학에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 과학자들이 제안한 모델에 따르면 조석 가열은 목성의 위성 이오보다 약 3배 더 큰 표면 열 흐름을 발생시킬 수 있으며, 이는 화산 및 판 구조 활동과 같은 주요 지질 활동을 초래할 수 있다.^[15]

4. 생명체 서식 가능성 및 기후

글리제 581 c가 금성과 유사한 환경인지, 지구와 유사한 환경인지에 대한 상상도

폰 블로 등 연구팀은 글리제 581 c가 모항성에 너무 가까워 생물권에서 명백히 벗어나 있다고 결론 내렸다. 셀시스 등도 "생물권에 있는 행성이 반드시 거주 가능하다고 할 수는 없다"고 주장하며, 글리제 581 c는 생물권 내에 있다고 할 수 없으며, 가령 지표면에 물이 있다고 해도, 모항성으로부터의 강한 X선이나 극자외선 등에 의해 소실되어, 오늘날의 금성처럼 표면 온도가 700,000에서 1,000,000에 달할 가능성이 있다고 했다.^[16] 다른 과학자들의 온도 추정에서는 모항성 글리제 581의 표면 온도를 바탕으로 계산되었지만, 글리제 581의 표면 온도에는 96K의 오차가 있어 이를 고려하지 않더라도 글리제 581 c가 받는 복사조도는 상당히 클 것으로 여겨졌다.^[43]

글리제 581의 광도는 태양 광도의 0.013배로, 이를 바탕으로 글리제 581 c의 유효 온도를 흑체라고 가정하여 계산할 수 있다. 그러나 유효 온도와 실제 표면 온도는 크게 다를 수 있으며, 예를 들어 금성은 폭주 온실 효과로 인해 실제 표면 온도가 유효 온도보다 약 430K-change나 높다.^[44]

결론적으로, 글리제 581 c에서는 금성과 같은 폭주 온실 효과로 인해 액체 상태의 물이 존재하기 어려울 것으로 보인다.^[45] 그러나 충분한 반사 구름이 있다면 폭주 온실 효과를 막을 수도 있고,^[46] 표면이 얼음으로 덮여 있다면 높은 알베도로 인해 행성을 서늘하게 유지할 수도 있다. 반대로, 화산 활동으로 인한 수증기나 이산화 탄소는 폭주 온실 효과를 일으킬 수 있다.^[47]

4. 1. 초기 평가

발견 초기에는 글리제 581 c가 지구와 유사한 환경을 가질 가능성이 제기되었다. Udry 연구팀에 따르면, 글리제 581c의 유효 온도는 알베도(반사율)가 금성과 같은 0.64일 경우 -3°C이고, 지구와 같은 알베도(0.296)일 경우 40°C로, 이는 1기압에서 물이 액체 상태로 존재할 수 있는 온도 범위와 겹친다.

하지만 유효 온도와 실제 표면 온도는 행성 대기의 온실 효과로 인해 매우 다를 수 있다. 예를 들어, 금성의 유효 온도는 -41°C이지만 표면 온도는 464°C로, 약 505°C의 차이가 난다.^[18]

폰 블로 등 연구팀은 글리제 581c가 모항성에 너무 가까워 생물권에서 명백히 벗어나 있다고 결론 내렸다. 셀시스 등도 "생물권에 있는 행성이 반드시 거주 가능하다고 할 수는 없다"고 주장하며, 글리제 581c는 생물권 내에 있다고 할 수 없으며, 가령 지표면에 물이 있다고 해도, 모항성으로부터의 강한 X선이나 극자외선 등에 의해 소실되어, 오늘날의 금성처럼 표면 온도가 700,000에서 1,000,000 범위에 있을 수 있다고 했다.^[16]

4. 2. 회의적 시각

2007년 독일 기후충격연구소가 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 글리제 581 c의 환경을 분석한 결과, 이 행성의 대기에서 온실효과가 발생하여 물이 끓는 온도 이상으로 대기를 가열시켜 생명체가 살기 힘든 환경이 조성될 것이라는 결론을 냈다. 셀시스 등의 연구에서는 "생명 가능 구역에 있는 행성이 반드시 생명 가능성이 있는 것은 아니다"라고 언급하며, 이 행성이 모항성의 "보수적인 생명 가능 구역 밖에 있다"고 밝혔고, 만약 물이 존재했더라도 적색 왜성이 강한 X선 및 EUV 방출체였을 때 손실되었을 것이며, 오늘날의 금성과 같이 표면 온도가 700,000에서 1,000,000 범위에 있을 수 있다고 한다.^[16]

글리제 581의 광도는 태양의 0.013배이므로, 글리제 581c의 유효 온도를 계산할 수 있다. Udry 연구팀에 따르면, 글리제 581c의 유효 온도는 알베도(반사율)가 금성과 같은 0.64일 경우 -3°C이고, 지구와 같은 알베도(0.296)일 경우 40°C이다. 그러나 유효 온도와 실제 표면 온도는 행성 대기의 온실 효과로 인해 매우 다를 수 있다. 예를 들어, 금성의 유효 온도는 -41°C이지만 표면 온도는 464°C로, 약 505°C의 차이가 난다.^[18]

글리제 581 c는 생물 서식 가능 구역 밖에 있을 가능성이 높다.^[22] 물이 존재한다는 직접적인 증거는 발견되지 않았으며, 액체 상태로 존재하지 않을 가능성이 높다. 생존 가능성에 대한 연구에 따르면, 글리제 581c는 금성에서 발견되는 것과 유사한 폭주 온실 효과를 겪을 가능성이 높으며, 따라서 생존 가능성이 매우 낮을 것으로 결론지어진다.^[19] 그럼에도 불구하고, 이 폭주 온실 효과는 행성의 낮 부분에 충분한 반사성 구름 덮개가 존재하면 예방될 수 있다.^[20] 표면이 얼음으로 덮여 있다면 높은 알베도를 갖게 되어 입사하는 태양광을 충분히 우주로 반사할 수 있지만, 이 상황은 매우 불안정할 것으로 예상된다.^[21]

4. 3. 추가 연구

글리제 581 c는 생물 서식 가능 구역 밖에 있을 가능성이 높다.^[22] 물이 존재한다는 직접적인 증거는 발견되지 않았으며, 액체 상태로 존재하지 않을 가능성이 높다. HD 209458 b와 같은 외계 행성을 측정하는 데 사용된 기술은 미래에 행성의 대기에서 증기 형태의 물의 존재를 확인하는 데 사용될 수 있지만, 글리제 581 c가 천문학적 통과를 하는 궤도와 일치하는 행성의 드문 경우에만 가능하다.

이론적인 모델에 따르면 물과 이산화 탄소와 같은 휘발성 물질이 존재한다면, 태양을 향하는 면의 뜨거운 열기 속에서 증발하여 더 차가운 밤의 면으로 이동하여 극관을 형성하기 위해 응축될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 전체 대기는 행성의 밤의 면에서 얼음 덮개로 얼어붙을 수 있다. 그러나 물이나 이산화 탄소가 글리제 581 c의 표면에 존재하는지는 불분명하다. 또는 안정적인 대기는 열을 더 고르게 순환시켜 표면에서 더 넓은 거주 가능한 지역을 허용할 수 있다.^[23] 예를 들어, 금성은 축 기울기가 작지만, 극지방에는 햇빛이 거의 도달하지 않는다. 지구보다 약 117배 느린 자전 속도는 긴 낮과 밤을 만들어낸다. 금성에 주어진 시간에 햇빛이 불균등하게 분포됨에도 불구하고, 극 지역과 금성의 밤의 면은 전 지구적으로 순환하는 바람에 의해 낮의 면과 거의 같은 정도로 뜨겁게 유지된다.^[24]

글리제 581 c는 글리제 581에서 약간 떨어져 있어 한쪽 면이 항상 주성을 향하고, 다른 쪽 면은 영원히 주성을 향하지 못하는 조석 고정(자전과 공전의 동기)을 겪고 있는 것으로 여겨진다.^[38]^[39]

5. 지구로부터의 메시지 (A Message from Earth)

어스 프롬 어스(A Message from Earth, AMFE)는 2008년 10월 9일에 글리제 581c를 향해 발신된 고출력 디지털 라디오 신호이다. 이 신호는 타임 캡슐로, 소셜 네트워킹 사이트 비보(Bebo)에서 열린 공모전을 통해 선정된 501개의 메시지를 담고 있다. 이 메시지는 우크라이나 우크라이나 국가 우주국의 RT-70 레이더 망원경을 사용하여 전송되었다. 이 신호는 2029년 초에 행성 글리제 581c에 도달할 것이다.^[25] 유명인과 정치인을 포함한 50만 명 이상의 사람들이 AMFE 프로젝트에 참여했으며, 이는 대중이 내용을 선정하는 세계 최초의 디지털 타임 캡슐이었다.^[26]^[27]

2015년 1월 22일 기준으로, 이 메시지는 총 192조 km 중 59.48조 km를 이동했으며, 이는 글리제 581 시스템까지의 거리의 31.0%에 해당한다.^[28]

6. 한국의 관련 연구 및 반응

글리제 581 c는 외계 행성 탐사와 관련하여 한국에서도 상당한 관심을 받은 천체이다. 특히, 생명체 존재 가능성이 제기되면서 학계뿐만 아니라 일반 대중에게도 큰 주목을 받았다. 그러나 현재까지 한국 천문학계에서 글리제 581 c에 대한 독자적인 연구나 관측 결과는 발표되지 않은 것으로 보인다.

대신, 글리제 581 c 발견 및 연구 결과에 대한 외신 보도를 인용하여 국내 언론에서 소개하거나, 과학 커뮤니티에서 관련 정보를 공유하는 형태로 주로 다루어졌다.

참조

_[1] 뉴스 Planet Hunters Edge Closer to Their Holy Grail http://www.space.com[...] space.com 2007-04-29
_[2] 논문 Radius and Structure Models of the First Super-Earth Planet
_[3] 논문 Detailed Models of Super-Earths: How Well Can We Infer Bulk Properties? 2007
_[4] 논문 Alien Earths from A to Z https://web.archive.[...] 2017-07-06
_[5] 웹사이트 Super-Earths are more like mini-Neptunes http://sen.com/news/[...] 2013-03-14
_[6] 논문 Probing the blow-off criteria of hydrogen-rich 'super-Earths' Royal Astronomical Society
_[7] 뉴스 20 light years away, the most Earthlike planet yet http://www.iht.com/a[...] International Herald Tribune 2007-05-10
_[8] 웹사이트 Earth Fact Sheet http://nssdc.gsfc.na[...] NASA 2015-12-21
_[9] 논문 Evolutionary tracks and isochrones for low- and intermediate-mass stars: From 0.15 to {{Solar mass|7}}, and from Z=0.0004 to 0.03 2000
_[10] 뉴스 Out of our world: Earthlike planet https://www.usatoday[...] USA Today 2007-05-10
_[11] 문서 Selsis 2.4.1 becomes tidally locked in less than 1 Gyr.
_[12] 논문 Dynamical evolution of the Gliese 581 planetary system 2008
_[13] 논문 Tidal Evolution in Close Binary Systems 1981
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_[16] 논문 Habitable planets around the star Gl 581? https://hal.archives[...] 2018-11-04
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_[19] 문서 Selsis 5. Gl 581c is very unlikely to be habitable
_[20] 문서 Selsis 3.1 would be habitable only if clouds with the highest reflectivity covered most of the daytime hemisphere.
_[21] 문서 Selsis 3.1.2
_[22] 문서 Selsis Abstract, 3. Figure 4.
_[23] 논문 Red Star Rising https://web.archive.[...] 2007-04-25
_[24] 웹사이트 Titan, Mars and Earth: Entropy Production by Latitudinal Heat Transport http://sirius.bu.edu[...] 2007-08-21
_[25] 뉴스 Messages from Earth sent to distant planet by Bebo https://www.telegrap[...] .telegraph.co.uk 2008-10-09
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_[30] 간행물 Mass-Radius Relationships for Solid Exoplanets http://www.journals.[...] The Astrophysical Journal 2007
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