생명체 거주가능 영역

1. 개요

생명체 거주가능 영역(CHZ)은 별 주위에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 적절한 온도를 가진 구역을 의미하며, 생명체 탄생에 중요한 요소이다. 이 개념은 1959년 필립 모리슨과 쥬세페 코코니에 의해 처음 제시되었고, 1961년 프랭크 드레이크는 드레이크 방정식을 통해 이를 구체화했다. CHZ는 항성의 크기와 밝기에 따라 달라지며, 특정 항성의 CHZ 중간 지점 거리는 $d\_\{AU\}\; =\; \backslash sqrt\; \{L\_\{star\}/L\_\{sun\}\}$ 공식을 통해 계산할 수 있다.

CHZ는 항성 진화에 따라 변화하며, 행성의 대기 조건 또한 생명체 존재에 영향을 미친다. 최근 연구에 따르면 태양계 내 CHZ 범위는 0.38 ~ 10.0 천문 단위 사이로 추정된다. 골디락스 행성은 CHZ 내에서 지구와 비슷한 크기로, 생명체가 살기에 적합한 외계 행성을 의미하며, 케플러, COROT, 다윈 등의 탐사 계획을 통해 연구가 진행 중이다.

은하 내 항성의 위치도 생명체 발생에 영향을 미칠 수 있으며, 은하 생명체 거주가능 영역(GHZ) 개념이 존재한다. GHZ는 지구형 행성의 중원소 함량이 높아야 하고, 혜성, 소행성, 초신성 폭발, 블랙홀 등의 위험 요소로부터 멀리 떨어져 있어야 한다. 우리 은하의 경우 GHZ는 중심에서 약 2만 5천 광년 정도 근처의 범위로 추정되지만, 이 개념은 여전히 비판을 받기도 한다. 또한, 블랙홀 주변에도 생명체 거주가능 영역이 존재할 수 있다는 연구 결과도 발표되었다.

CHZ 개념은 외계 생명체에 대한 지구 중심적인 가정을 하고 있다는 비판과 함께, CHZ 밖에서도 생명체가 존재할 수 있다는 가능성이 제기되고 있다. 대체 생화학을 사용하는 생명체의 존재 가능성, 극한 환경에서 생존하는 생명체의 발견 등이 그 예시이다. 생명체 거주가능 영역은 지적 생명체를 탐색하는 연구자들에게 중요한 관심사이며, SETI와 METI 등의 노력을 통해 외계 생명체를 찾기 위한 연구가 진행되고 있다.

2. 항성 주위 생명체 거주가능 영역 (CHZ)

항성 주위 생명체 거주가능 영역(CHZ)은 모항성에서 적당한 거리에 위치하여 행성 표면에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는, 이론상의 구역을 의미한다. 액체 물은 화학 반응에 필요한 용매 역할을 하므로 생명체 탄생에 필수적이다. 1959년 필립 모리슨과 주세페 코코니가 SETI 연구 논문에서 처음 제시했으며, 1961년 프랭크 드레이크가 드레이크 방정식을 통해 구체화했다.

CHZ의 중간 지점 거리는 다음 방정식으로 표현된다.

::$d\_\{AU\}\; =\; \backslash sqrt\; \{L\_\{star\}/L\_\{sun\}\}$

여기서,
*$d\_\{AU\}\; \backslash ,$는 천문단위(AU)로 나타낸 항성으로부터의 HZ 중간값,
*$L\_\{star\}\; \backslash ,$는 대상 항성의 광도,
*$L\_\{sun\}\; \backslash ,$는 태양의 광도이다.

예를 들어, 태양 밝기의 25%인 K형 항성의 경우, 생명체 거주가능 영역(지구와 가장 유사한 환경)은 약 0.5 AU이다. 태양 밝기의 2배인 별의 경우, 이 거리는 약 1.4 AU이다. 이 '중간 지대'는 행성의 대기 조성과 밀도가 지구와 비슷하다는 전제 하에, 지구와 유사한 생명체가 살아갈 수 있는 환경을 의미한다.

항성이 진화하며 밝기가 증가하면 광도 역시 증가하고, 이에 따라 행성계의 CHZ는 항성으로부터 멀어진다. 행성에서 생명체가 최대한 오랫동안 존재하려면, 변화하는 CHZ 내에 오래 머무를 수 있는 위치에 있어야 한다.

행성의 대기 조성, 화산 활동 빈도, 질량, 위성과의 기조력 등도 복사열 강도에 영향을 미쳐 생명체 존립에 중요한 변수가 된다.

최근 미국 스미스소니언 천체물리센터와 하버드 연구진은 외계 항성 MWC 480 주위에서 유기 분자 화학물을 발견했다.

태양계 내 CHZ에 대한 추정치는 0.38 ~ 10.0 AU 사이로 다양하다. 금성은 CHZ 안쪽 가장자리에 닿아 있지만, 강한 온실 효과로 인해 표면 온도가 매우 높아 물이 증기 상태로만 존재한다. 화성은 낮은 고도에서 대기압과 온도가 존재한다면 액체 상태의 물이 단기간 존재할 수 있을 만큼 충분하다.

과거 금성, 화성, 베스타, 세레스 표면에 액체 상태의 물이 존재했음을 시사하는 연구 결과도 있다.

확장된 거주 가능 영역 개념에 따르면, 충분한 복사 강제를 유도할 수 있는 대기를 가진 행성 질량 물체는 태양으로부터 더 멀리 액체 상태의 물을 가질 수 있다.

항성계의 특성에 따라 CHZ는 달라진다. 쌍성계는 단일 항성계와 다른 CHZ를 가지며, O형 별은 강한 자외선 방출로 행성 형성을 방해할 수 있다. 적색 왜성은 조석 고정에도 불구하고 표면 전체에 비교적 일정한 온도를 가진 행성을 지원할 수 있다는 연구 결과도 있다.

별의 진화에 따라 CHZ는 변하며, "지속적 거주 가능 영역" 개념도 도입되었다. 적색 왜성 시스템의 별 플레어와 별점은 행성의 대기와 물을 제거할 가능성이 있지만, 약 12억 년 후에는 생명체 발달에 충분히 안정될 수 있다.

사막 행성과 같은 특수한 환경의 행성도 CHZ 내에 존재할 가능성이 제기된다.

골디락스 행성은 항성의 CHZ 내에서 지구와 비슷한 크기로, 생명체가 살기에 적합한 환경을 가진 외계 행성을 의미한다.

다음은 태양계의 원별 거주 가능 영역 경계에 대한 추정치를 나타낸 표이다.

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📌 열 고정 해제

태양계의 원별 거주 가능 영역 경계에 대한 추정치

안쪽 가장자리 (AU)	바깥쪽 가장자리 (AU)	연도	비고
0.725	1.24	1964, Dole	금성의 원일점을 영역 바로 안쪽에 위치시킨다.
	1.005–1.008	1969, Budyko
0.92–0.96		1970, Rasool 및 De Bergh
0.958	1.004	1979, Hart
	3.0	1992, Fogg
0.95	1.37	1993, Kasting 등.
	2.0	2010, Spiegel 등.
0.75		2011, Abe 등.
	10	2011, Pierrehumbert 및 Gaidos
0.77–0.87	1.02–1.18	2013, Vladilo 등.
0.99	1.67	2013, Kopparapu 등.
0.38		2013, Zsom 등.
0.95		2013, Leconte 등.
0.95	2.4	2017, Ramirez 및 Kaltenegger
0.93–0.91		2019, Gomez-Leal 등.
0.99	1.004		위에서 가장 좁게 제한된 추정치
0.38	10		위에서 가장 완화된 추정치

2.1. 항성 주위 생명체 거주가능 영역의 정의

1959년 물리학자 필립 모리슨과 쥬세페 코코니는 SETI 연구 논문을 통해 항성 주위 생명체 거주가능영역(CHZ)의 개념을 정립했다. 이는 행성 표면에 액체 물이 존재할 수 있는, 항성으로부터의 거리 범위를 의미한다. 액체 물은 화학 반응에 필요한 용매로써 매우 적합하기 때문에 생명체 탄생에 있어 중요하다. 1961년 프랭크 드레이크는 드레이크 방정식을 소개했다.

특정 항성의 CHZ '중간' 지대 거리는 다음 방정식으로 나타낼 수 있다.

::$d\_\{AU\}\; =\; \backslash sqrt\; \{L\_\{star\}/L\_\{sun\}\}$

여기서
::$d\_\{AU\}\; \backslash ,$는 천문단위로 표시한 어머니 항성으로부터의 HZ 중간값이며,
::$L\_\{star\}\; \backslash ,$는 대상 항성의 광도이고,
::$L\_\{sun\}\; \backslash ,$는 태양의 광도이다.

예를 들어, 태양 밝기의 4분의 1 정도인 K형 항성의 경우 생물권 거리(생물권 영역 중 가장 지구와 흡사한 환경이 형성될 수 있는 중간 지대 거리)는 약 0.5 천문단위이다. 태양 밝기의 2배 정도인 별의 경우 이 별의 생물권 거리는 위 공식에 의하면 약 1.4 천문단위가 된다.

생물권의 '한가운데'는 어떤 행성에 지구와 거의 비슷한 생명체들이 살아갈 환경이 갖춰질 수 있는 거리를 의미한다. 단, 이 행성의 대기 조성이나 밀도는 지구와 흡사하다는 조건이 전제된다. 항성이 진화하면서 밝기가 증가하면 광도 역시 증가하고, 그 행성계의 HZ는 항성으로부터 멀리 떨어진 곳으로 물러나게 된다. 어떤 행성에서 생명체들이 살 시간을 최대한 벌기 위해서는, 행성은 변화하는 HZ 내에 오래 머무를 수 있는 위치에 자리잡고 있어야 한다.

행성의 대기 조성도 생명체의 존재에 중요한 변수가 된다. 금성의 경우와 같이 대기의 농도 또한 그 행성의 환경을 결정하는 변수가 된다. 또한 행성 자체의 화산 활동 빈도, 자체 질량 및 위성과의 기조력 등도 자체 복사열의 강도에 영향을 미치며, 이는 생명체의 존립 여부와 직결된다.

별 주위의 생명체 거주가능 영역이라는 개념은 1913년 에드워드 모더가 그의 저서 "행성에 생명체가 있는가?"에서 처음 소개되었다. 1953년 후베르투스 스트루홀드는 논문 녹색 행성과 붉은 행성: 화성에 생명체가 존재할 가능성에 대한 생리학적 연구에서 "생태권"이라는 용어를 만들고 생명이 나타날 수 있는 다양한 "영역"을 언급했다. 같은 해, 할로우 섀플리는 동일한 개념을 더 과학적으로 자세하게 설명한 "액체 물 벨트"를 저술했다. 두 연구 모두 생명에 액체 물이 중요하다는 점을 강조했다. 수슈 황은 1959년에 액체 물이 충분히 큰 천체에 존재할 수 있는 별 주위의 영역을 지칭하기 위해 처음으로 "거주 가능 영역"이라는 용어를 도입했으며, 행성 거주 가능성과 외계 생명체의 맥락에서 이를 처음으로 소개했다.

2.2. 항성 주위 생명체 거주가능 영역의 결정 요인

어떤 행성에 생명체가 발생하기 위해서는 모항성으로부터 적당한 거리에 떨어져 있어야 한다. 이 항성 주위 생명체 거주가능영역(CHZ)은 행성 표면 온도가 액체 물이 존재할 수 있을 정도로 적절한 거리를 나타내는 가상의 구체이다. 액체 물은 화학 반응에 필요한 용매로 작용하기 때문에 생명체 탄생에 중요하다. 1959년 물리학자 필립 모리슨과 쥬세페 코코니가 SETI 연구 논문에서 이 개념을 처음 제시했고, 1961년 프랭크 드레이크는 드레이크 방정식을 통해 이를 더욱 구체화했다.

특정 항성의 CHZ '중간' 지점 거리는 다음 방정식으로 표현된다.

::$d\_\{AU\}\; =\; \backslash sqrt\; \{L\_\{star\}/L\_\{sun\}\}$

여기서,
::$d\_\{AU\}\; \backslash ,$는 천문단위로 나타낸 항성으로부터의 HZ 중간값,
::$L\_\{star\}\; \backslash ,$는 대상 항성의 광도,
::$L\_\{sun\}\; \backslash ,$는 태양의 광도이다.

예를 들어, 태양 밝기의 25%인 K형 항성의 경우, 생명체 거주가능 영역(지구와 가장 유사한 환경이 형성될 수 있는 중간 지대)은 약 0.5 천문단위이다. 태양 밝기의 2배인 별의 경우, 이 거리는 약 1.4 천문단위이다. 이 '중간 지대'는 행성의 대기 조성과 밀도가 지구와 비슷하다는 전제 하에, 지구와 유사한 생명체가 살아갈 수 있는 환경을 의미한다.

항성이 진화하며 밝기가 증가하면 광도 역시 증가하고, 이에 따라 행성계의 HZ는 항성으로부터 멀어진다. 행성에서 생명체가 최대한 오랫동안 존재하려면, 변화하는 HZ 내에 오래 머무를 수 있는 위치에 있어야 한다.

행성의 대기 조성은 생명체 존재에 중요한 변수이다. 금성의 경우처럼 대기 농도는 행성의 환경을 결정하며, 행성 자체의 화산 활동 빈도, 질량, 위성과의 기조력 등도 복사열 강도에 영향을 미쳐 생명체 존립에 영향을 준다.

최근 연구에서는 외계 항성 MWC 480 주위에서 유기 분자 화학물이 발견되었다.

2.3. 태양계의 항성 주위 생명체 거주가능 영역

태양계 내 생명체 거주 가능 영역(CHZ)에 대한 추정치는 0.38 ~ 10.0 AU 사이로 다양하다. 이러한 추정에 도달하는 것은 여러 가지 이유로 어려운데, 이 범위 내 또는 근처에서 수많은 행성 질량 물체가 공전하며, 이로 인해 물의 어는점 이상으로 온도가 상승할 만큼 충분한 햇빛을 받지만, 대기 조건은 상당히 다르기 때문이다.

예를 들어, 금성의 원일점은 대부분의 추정에서 거주 가능 영역의 안쪽 가장자리에 닿으며, 표면의 대기압은 액체 상태의 물을 유지하기에 충분하지만, 강한 온실 효과는 표면 온도를 462°C까지 상승시켜 물이 증기 상태로만 존재할 수 있게 한다. 달, 화성, 그리고 수많은 소행성의 궤도 전체도 거주 가능 영역에 대한 다양한 추정치 안에 놓여 있다. 화성의 가장 낮은 고도(행성 표면의 30% 미만)에서만 대기압과 온도가 존재한다면 액체 상태로 단기간 존재할 수 있을 만큼 충분하다. 예를 들어, 헬라스 분지에서는 대기압이 1,115 Pa에 달할 수 있고, 화성 해(Mars year)에 70일 동안 0°C 이상(물의 삼중점 근처)의 온도가 나타날 수 있다. 따뜻한 화성 경사면의 계절적 흐름의 형태로 간접적인 증거가 있음에도 불구하고, 액체 상태의 물의 존재에 대한 확인은 이루어지지 않았다. 혜성을 포함한 다른 물체들이 부분적으로 이 영역 내에서 공전하지만, 세레스는 행성 질량 물체 중 유일하다. 낮은 질량과 태양풍에 의한 증발과 대기 손실을 완화할 수 없는 능력의 조합은 이러한 물체가 표면에 액체 상태의 물을 유지하는 것을 불가능하게 만든다.

그럼에도 불구하고, 연구는 과거에 금성, 화성, 베스타 및 세레스 표면에 액체 상태의 물이 존재했음을 강력하게 시사하며, 이는 이전에 생각했던 것보다 더 흔한 현상임을 암시한다. 지속 가능한 액체 상태의 물은 복잡한 생명체를 지원하는 데 필수적인 것으로 여겨지므로, 대부분의 추정치는 표면 중력이 수십억 년 동안 충분한 대기를 유지할 수 있도록 하는 지구 또는 금성의 거주 가능성에 궤도를 재배치하는 것이 어떤 영향을 미칠지 추론하여 얻어진다.

확장된 거주 가능 영역 개념에 따르면, 충분한 복사 강제를 유도할 수 있는 대기를 가진 행성 질량 물체는 태양으로부터 더 멀리 액체 상태의 물을 가질 수 있다. 이러한 물체에는 온실 가스의 높은 구성 성분을 포함하는 대기를 가진 물체와 지구보다 훨씬 더 큰 질량을 가진 육지 행성(슈퍼 지구 등급 행성)이 포함될 수 있으며, 최대 100 kbar의 표면 압력을 가진 대기를 유지하고 있다. 이러한 종류의 외계 물체의 대기 특성에 대해 충분히 알려진 바가 없으며, 거주 가능 영역에서의 위치는 유도된 알베도, 반온실 또는 기타 가능한 열원을 포함한 그러한 대기의 순 온도 효과를 결정할 수 없기 때문에 태양계에는 연구할 만한 그러한 물체의 예가 없다.

참고로, 거주 가능 영역에 대한 다양한 추정치 내에 있는 일부 주요 물체의 태양으로부터의 평균 거리는 다음과 같다: 수성 0.39AU, 금성 0.72AU, 지구 1, 화성 1.52AU, 베스타 2.36AU, 세레스 및 팔라스 2.77AU, 목성 5.2, 토성 9.58AU. 가장 보수적인 추정에서는 지구만 이 영역 내에 있으며, 가장 허용적인 추정에서는 근일점의 토성 또는 원일점의 수성조차도 포함될 수 있다.

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📌 열 고정 해제

태양계의 원별 거주 가능 영역 경계에 대한 추정치

안쪽 가장자리 (AU)	바깥쪽 가장자리 (AU)	연도	비고
0.725	1.24	1964, Dole	광학적으로 얇은 대기와 고정된 알베도를 사용했다. 금성의 원일점을 영역 바로 안쪽에 위치시킨다.
	1.005–1.008	1969, Budyko	지구의 전 지구적 빙결을 경험할 지점을 결정하기 위해 얼음 알베도 피드백 모델을 연구하여 결정했다. 이 추정은 Sellers 1969 및 North 1975의 연구에서 뒷받침되었다.
0.92–0.96		1970, Rasool 및 De Bergh	금성의 대기 연구를 바탕으로, Rasool과 De Bergh는 이 거리가 지구가 안정적인 해양을 형성했을 최소 거리라고 결론 내렸다.
0.958	1.004	1979, Hart	지구 대기 조성과 표면 온도의 진화를 컴퓨터 모델링 및 시뮬레이션을 기반으로 했다. 이 추정은 후속 간행물에서 자주 인용되었다.
	3.0	1992, Fogg	탄소 순환을 사용하여 원별 거주 가능 영역의 바깥쪽 가장자리를 추정했다.
0.95	1.37	1993, Kasting 등.	오늘날 사용되는 거주 가능 영역의 가장 일반적인 작업 정의를 정립했다. CO2와 H2O가 지구의 경우처럼 주요 온실 가스라고 가정한다. 탄산염-규산염 순환 때문에 거주 가능 영역이 넓다고 주장했다. 구름 알베도의 냉각 효과를 언급했다. 표는 보수적인 한계를 보여준다. 낙관적인 한계는 0.84–1.67 AU였다.
	2.0	2010, Spiegel 등.	높은 경사각과 궤도 이심률을 결합하면 이 한계까지 계절적 액체 상태의 물이 가능하다고 제안했다.
0.75		2011, Abe 등.	극지방에 물이 있는 육지 지배적인 "사막 행성"이 지구와 같은 물이 많은 행성보다 태양에 더 가까이 존재할 수 있다는 것을 발견했다.
	10	2011, Pierrehumbert 및 Gaidos	원시 행성 원반에서 수십~수천 바의 원시 수소를 축적하는 행성 질량 물체는 태양계에서 10 AU까지 확장되는 거리에서 거주할 수 있다.
0.77–0.87	1.02–1.18	2013, Vladilo 등.	원별 거주 가능 영역의 안쪽 가장자리는 더 가깝고 바깥쪽 가장자리는 더 높은 대기압에서 더 멀다. 최소 대기압은 15 mbar가 필요하다는 것을 결정했다.
0.99	1.67	2013, Kopparapu 등.	업데이트된 습윤 온실 및 물 손실 알고리즘을 사용하여 Kasting 등. (1993)의 공식을 수정했다. 이 측정에 따르면, 지구는 HZ의 안쪽 가장자리에 있으며, 습윤 온실 한계 바로 바깥쪽에 있다. Kasting 등. (1993)과 마찬가지로, 이것은 "물 손실"(습윤 온실) 한계, 즉 거주 가능 영역의 안쪽 가장자리가 온도가 약 60°C에 도달하고 대류권까지 충분히 높아서 대기가 수증기로 완전히 포화된 지구형 행성에 적용된다. 성층권이 습해지면 물 증기 광분해로 인해 수소가 우주로 방출된다. 이 시점에서 구름 피드백 냉각은 더 이상의 온난화로 크게 증가하지 않는다. 바깥쪽 가장자리의 "최대 온실" 한계는 약 8 바의 이산화 탄소 지배적인 대기가 최대 온실 효과를 생성했고, 이산화 탄소의 추가 증가는 이산화 탄소가 대기에서 재앙적으로 얼어붙는 것을 막을 만큼 충분한 온난화를 생성하지 못할 것이다. 낙관적인 한계는 0.97–1.67 AU였다. 이 정의는 이산화 탄소 구름에 의한 가능한 복사 가온을 고려하지 않는다.
0.38		2013, Zsom 등.	행성 대기의 다양한 가능한 조합, 압력 및 상대 습도를 기반으로 한 추정치이다.
0.95		2013, Leconte 등.	3차원 모델을 사용하여, 이 저자들은 태양계의 안쪽 가장자리를 0.95 AU로 계산했다.
0.95	2.4	2017, Ramirez 및 Kaltenegger	고전적인 이산화탄소-수증기 거주 가능 영역을 화산 수소 대기 농도가 50%라고 가정하여 확장했다.
0.93–0.91		2019, Gomez-Leal 등.	전 지구 기후 모델(GCM)을 사용하여 오존의 유무에 관계없이 지구 아날로그에서 하부 성층권의 수분 혼합비, 표면 온도 및 기후 민감도를 측정하여 습윤 온실 임계값을 추정했다. 이는 7 g/kg의 물 혼합비 값, 약 320 K의 표면 온도, 두 경우 모두에서 기후 민감도의 피크를 보여준다.
0.99	1.004		위에서 가장 좁게 제한된 추정치
0.38	10		위에서 가장 완화된 추정치

2.4. 외계 행성계의 항성 주위 생명체 거주가능 영역

항성의 분광형, 쌍성계 여부 등 항성계의 특성에 따라 항성 주위 생명체 거주가능 영역(CHZ)이 달라진다.

일부 과학자들은 항성 주위 생명체 거주 가능 영역의 개념이 특정 유형의 항성계나 특정 분광형의 별에만 국한된다고 주장한다. 예를 들어, 쌍성계는 3체 구성으로 인한 궤도 안정성 문제 외에도 단일 항성계와는 다른 CHZ를 갖는다. 태양계가 쌍성계였다면, CHZ의 외곽 경계는 최대 2.4 AU까지 확장될 수 있다.

분광형과 관련하여, 졸탄 발로그는 O형 별은 강한 자외선 방출로 인해 광증발이 일어나 행성을 형성할 수 없다고 제안했다. 안드레아 부치노는 연구된 별의 40% (태양 포함)만이 액체 물과 자외선 거주 가능 영역을 겹치고 있다는 것을 발견했다. 반면에 태양보다 작은 별은 생명 거주 가능성에 뚜렷한 방해 요소를 가지고 있다. 예를 들어, 마이클 하트는 K0 또는 그보다 밝은 분광 등급의 주계열성만이 생명체 거주 가능 영역을 제공할 수 있다고 제안했는데, 이 아이디어는 현대에 와서 적색 왜성의 조석 고정 반경 개념으로 발전했다.

다른 과학자들은 CHZ가 더 흔하며, 더 차가운 별을 공전하는 행성에서 물이 존재할 수 있다고 주장한다. 2013년의 기후 모델링은 적색 왜성들이 조석 고정에도 불구하고 표면 전체에 비교적 일정한 온도를 가진 행성을 지원할 수 있다는 아이디어를 뒷받침한다. 에릭 아골은 심지어 백색 왜성도 행성 이동을 통해 비교적 짧은 생명체 거주 가능 영역을 지원할 수 있다고 주장한다.

별 주위의 CHZ는 별의 진화에 따라 시간이 지남에 따라 변한다. 예를 들어, 1,000만 년 미만 동안 주계열성에 머물 수 있는 뜨거운 O형 별은 생명체의 발달에 적합하지 않은 급격하게 변화하는 거주 가능 영역을 가질 것이다. 반면에 수천억 년 동안 주계열성에 머물 수 있는 적색 왜성들은 생명체가 발달하고 진화할 충분한 시간을 가진 행성들을 가질 것이다. 별이 주계열성에 있는 동안에도 에너지 출력은 꾸준히 증가하여 거주 가능 영역을 더 멀리 밀어낸다. 이러한 광도의 증가에 대처하기 위해, "지속적 거주 가능 영역"이라는 개념이 도입되었다.

적색 왜성 시스템에서는, 몇 분 만에 별의 밝기를 두 배로 증가시킬 수 있는 거대한 별 플레어와 별 표면의 20%를 덮을 수 있는 거대한 별점이 그렇지 않으면 거주 가능한 행성에서 대기와 물을 제거할 가능성이 있다. 그러나 약 12억 년이 지나면 적색 왜성은 일반적으로 생명체의 발달을 허용할 만큼 충분히 일정하게 된다.

별이 충분히 진화하여 적색 거성이 되면, 그 별 주위의 거주 가능 영역은 주계열성 시대의 크기에서 극적으로 변한다. 예를 들어, 태양은 이전에 거주 가능했던 지구를 적색 거성으로 삼킬 것으로 예상된다.

최근 연구에서는 사막 행성과 같이 특수한 환경의 행성도 CHZ 내에서 존재할 가능성이 제기된다. 물이 거의 없는 사막 행성은 지구보다 대기 중 수증기가 적어 온실 효과가 감소한다. 이는 사막 행성이 지구보다 태양에 더 가까운 곳에서 물의 오아시스를 유지할 수 있다는 것을 의미한다.

2.5. 골디락스 행성

골디락스 행성은 항성의 생명체 거주가능 영역(CHZ) 내에서 지구와 비슷한 크기로, 생명체가 살기에 적합한 환경을 가진 외계 행성을 의미한다. 이 용어는 《골디락스와 세 마리 곰》 동화에서 유래했다. 소녀 골디락스가 너무 뜨겁지도, 차갑지도 않은 적당한 온도의 죽을 선택하는 것처럼, 골디락스 행성도 항성으로부터 너무 멀지도 가깝지도 않은, 생명체가 번성하기에 알맞은 온도를 유지할 수 있는 위치에 있다.

드레이크 방정식의 변수 n_e (생명체를 품는 행성이 있을 확률)와 관련하여 논쟁이 있다. 희귀한 지구 가설을 주장하는 천문학자들은 생명체 발생에 단순히 CHZ 내 위치뿐 아니라 여러 희귀한 조건이 필요하다고 본다. 반면, 평범성의 원리를 따르는 학자들은 우주에 수많은 골디락스 행성과 외계 지구가 존재할 것이라 주장한다.

골디락스 행성은 지성체가 살거나, 미래에 인류가 개척하여 제2의 지구처럼 만들 가능성이 있어 천문학자들의 관심 대상이다.

프랑스 CNES와 ESA이 주관하는 COROT 망원경이 2006년 발사되었다. 미국 NASA가 주관하는 케플러 우주 망원경이 2009년 발사되었고, 케플러 미션은 지구 크기의 골디락스 행성을 찾는 것을 주 임무로 한다. 2015년 ESA은 다윈 우주 망원경을 발사할 계획이었으며, 다윈 계획은 4개에서 9개의 망원경을 사용할 예정이었다.

처녀자리 70 b가 한때 '골디락스'라는 별명을 얻었으나, 이후 생명체가 살기에는 너무 뜨거운 것으로 밝혀졌다. 현재까지는 글리제 581 d의 환경이 생명체 발생에 가장 적합한 것으로 여겨진다.

3. 은하 생명체 거주가능 영역 (GHZ)

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은하 내 항성의 위치가 생명체 발생 여부에 영향을 미친다는 개념에 따라, 이 조건을 만족하는 영역을 은하 생명체 거주가능영역(Galactic habitable zone, GHZ)이라고 부른다. 우리 은하의 GHZ는 중심부에서 약 2만 5천 광년 근처 범위로, 40억~80억 년 된 별들이 존재한다.

그러나 GHZ 이론은 불확실한 변수가 많아 비판받기도 한다. 천문학자 니코스 프란조스는 GHZ 범위에 대한 의미 있는 결론을 내리기 어렵다며, 은하계 전체에서 생명 발달이 가능하다고 주장한다.

3.1. 은하 생명체 거주가능 영역의 조건

지구형 행성이 탄생하기 위해서는 행성계의 중원소 함량이 높아야 한다. 중원소는 복잡한 형태의 분자 생성에 필수적이다. 예를 들어 철은 갑상선 내 헤모글로빈과 아이오딘을 구성하는 요소이다.

반면, 행성계는 은하 중심부와 너무 가까우면 안 된다. 혜성, 소행성 충돌, 항성 간 근접, 초신성 폭발로 인한 강력한 에너지 복사, 은하 중심 블랙홀과의 거리 등 위험 요소를 피해야 한다. 초신성 폭발이 생명체에 미치는 영향은 확실하게 알려지지 않았지만, 감마선 폭발은 복잡한 분자 생성을 방해할 수 있다. 또한, 많은 대형 타원 은하나 나선 은하 중심부는 성간 물질이 고갈되어 새로운 별이 탄생하지 않아 행성계도 생겨날 수 없다. 중원소 함량이 높은 항성일수록 가까운 궤도에 무거운 행성이 존재할 확률이 높다는 연구 결과가 있다. 이런 행성은 지구형 행성 생성을 방해하거나 행성계 밖으로 날려 생명체 발생 가능성을 막는다.

우리 은하의 은하 생명체 거주가능영역(GHZ)은 중심부에서 약 2만 5천 광년 근처 범위로, 별들의 나이는 40억~80억 살 정도이다. 다른 은하의 GHZ 범위는 각 은하의 특성에 따라 다르며, 우리 은하보다 크거나 작거나 없을 수도 있다.

3.2. 블랙홀 주위 생명체 거주가능 영역

최근 연구에 따르면, 초대질량 블랙홀 주변에도 생명체 존재가 가능한 영역이 존재할 수 있다. 블랙홀의 강착 원반에서 방출되는 전자기파의 양이 생명체 탄생에 필요한 유기물이나 화합물의 반응을 일으킬 수 있는 적절한 수준일 수 있기 때문이다. 궁수자리 A*의 경우, 140광년 떨어진 영역이 생명체 거주가능 영역이 될 것으로 추정된다.

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4. 비판 및 추가 논의

이안 스튜어트와 잭 코헨은 저서 《외계생명체의 진화》(Evolving the Alien)에서 생명체 거주가능영역(CHZ) 개념에 대해 두 가지 이유로 비판했다. 첫째, 외계 생명체에 대해 지나치게 지구 중심적인 가정을 하고 있다는 것이다. 둘째, CHZ 밖에서도 생명체가 존재할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 목성의 위성 유로파는 얼음 표면 아래에 지구와 비슷한 액체 물로 된 바다가 있을 것으로 예상되며, 이 바다는 지구 생명체와 유사한 생명체가 살 수 있는 환경을 제공할 수 있다. 지구상에 극한환경미생물이 존재한다는 사실은 유로파가 비록 CHZ 바깥에 있지만 생명체가 존재할 수 있다는 주장을 뒷받침한다. 행성 생물학자 칼 세이건은 목성과 같은 가스 행성 자체에서도 생명체가 살 수 있을 것으로 믿었다. 이러한 환경에서 생명체가 발견된다면, 이는 기존의 외계 생명체 이론이 지나치게 보수적임을 보여주는 증거가 될 것이다.

액체 상태의 물 환경은 대기압이 없고 CHZ 온도 범위를 벗어난 온도에서도 존재할 수 있다. 예를 들어, 토성의 위성 타이탄과 엔셀라두스, 목성의 위성 유로파와 가니메데는 모두 생명체 거주 가능 영역 밖에 있지만, 지하해에 많은 양의 액체 물을 가지고 있을 수 있다. CHZ 외부에서는 조석 가열과 방사성 붕괴가 액체 물의 존재에 기여할 수 있는 두 가지 가능한 열원이다.

지구의 생명체가 안정적인 지하 서식지에서 기원했을 수 있다는 이론이 있으며, 이와 같은 습한 지하 외계 서식지가 '생명체로 가득'할 수 있다는 제안도 있었다.

대체 생화학을 사용하는, 물이 전혀 필요하지 않은 생명체의 존재 가능성도 제기된다. 천체 생물학자 크리스토퍼 맥케이는 메탄(CH₄)이 "극저온 생명체"의 발달에 도움이 되는 용매일 수 있으며, 태양의 "메탄 거주 가능 영역"은 별에서 약 16억 1000만 km에 위치할 수 있다고 제안했다. 이 거리는 타이탄의 위치와 일치하며, 메탄 호수와 비는 맥케이가 제안한 극저온 생명체를 찾기에 이상적인 장소로 여겨진다. 또한, 일부 유기체에 대한 실험을 통해 일부 유기체가 HZ 외부 조건에서 생존할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

희귀 지구 가설은 복잡하고 지적인 생명체가 드물며, 생명체 거주가능 영역(HZ)이 그 중요한 요인 중 하나라고 주장한다. 그러나 이안 스튜어트와 잭 코헨은 복잡하고 지적인 생명체가 HZ 밖에서 발생할 수 있다고 주장한다. HZ 밖의 지적 생명체는 지하 환경, 대체 생화학, 심지어 핵반응에서 진화했을 수도 있다.

지구에서는 보수적인 거주 가능 영역 밖에서도 존재할 수 있는 조건에서 살아남을 수 있는 잠재력을 가진 여러 복잡한 다세포 생명체(또는 진핵생물)가 확인되었다. 열수 분출공은 고대 우회 생태계를 유지하며 Riftia pachyptila와 같은 크고 복잡한 생명체를 지원한다. 유사한 환경은 유로파와 엔셀라두스와 같이 고체 지각 아래에 압력을 받는 바다에서, 거주 가능 영역 밖에서 발견될 수 있다. 수많은 미생물이 시뮬레이션된 조건과 저지구 궤도에서 테스트되었으며, 진핵생물을 포함한다. 동물의 예로는 물의 끓는점보다 훨씬 높은 극한 온도와 우주의 차가운 진공을 견딜 수 있는 Milnesium tardigradum이 있다. 또한, 지의류 Rhizocarpon geographicum과 Xanthoria elegans는 대기압이 표면 액체수에 비해 훨씬 낮고, 광선 에너지가 대부분의 식물이 광합성을 하는 데 필요한 것보다 훨씬 낮은 환경에서 생존하는 것으로 밝혀졌다. 곰팡이 Cryomyces antarcticus와 Cryomyces minteri 또한 화성과 유사한 조건에서 생존하고 번식할 수 있다.

5. 결론

생명체 거주가능 영역은 외계 생명체 탐색에 있어서 여전히 중요한 개념이지만, 절대적인 기준은 아니다. 초기에는 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 거리 범위를 중심으로 정의되었으나, 다양한 연구를 통해 그 범위와 조건에 대한 이해가 확장되고 있다.

1953년 후베르투스 스트루홀드와 할로우 섀플리는 생명체에게 액체 물이 중요하다는 점을 강조하며 '생태권', '액체 물 벨트' 등의 개념을 제시했다. 1959년 수슈 황은 '거주 가능 영역'이라는 용어를 처음으로 도입하며, 행성 거주 가능성과 외계 생명체의 맥락에서 이 개념을 소개했다.

이후 거주 가능 영역의 개념은 은하 거주 가능 영역, 다른 용매를 고려한 확장된 거주 가능 영역, 행성 주위의 위성까지 고려한 '거주 가능 가장자리' 등으로 발전해왔다.

최근에는 '별 주위 거주 가능 영역'이라는 용어가 행성이 거주 가능한 환경을 갖는다는 오해를 일으킬 수 있다는 지적이 제기되고 있다. 행성의 표면 조건은 다양한 요인에 따라 달라지기 때문이다.

희귀 지구 가설은 복잡한 생명체가 드물며, 생명체 거주 가능 영역이 중요한 요소 중 하나라고 주장한다. 반면, 코페르니쿠스 원리에 따르면 지적 생명체는 우주에 흔하게 존재할 수 있다. 드레이크 방정식의 인자는 각 항성의 생명체 거주 가능 영역을 공전하는 행성 수를 나타내며, 이 값은 지적 생명체의 존재 가능성에 대한 논쟁과 관련이 있다.

생명체 거주 가능 영역은 능동적 SETI(METI) 프로젝트의 주요 목표 중 하나이다. 2001년과 2003년에 큰곰자리 47번 별계로, 2008년과 2009년에는 글리제 581계로 전파 신호가 발신되었다.