지구형 행성

3. 태양계의 지구형 행성

태양계에는 수성, 금성, 지구, 화성의 네 개의 지구형 행성이 있다. 이들은 모두 고체 표면을 가지고 있으며, 이 중 지구만이 유일하게 액체 상태의 물(수권)을 가지고 있다.

3. 1. 형성 과정

3. 2. 밀도와 거리

목성의 갈릴레오 위성들도 목성에서 바깥쪽으로 갈수록 밀도가 낮아지는 경향을 보이지만, 토성이나 천왕성의 얼음 위성에서는 그러한 경향이 관찰되지 않는다.^[11]

4. 외계 지구형 행성

외계 행성 탐색 초기에는 질량이 큰 가스 행성이 주로 발견되었으나, 관측 기술의 발달로 지구형 행성 발견이 증가하고 있다.

2005년 이후로 수백 개의 지구형 외계 행성 후보가 발견되었고, 그중 몇몇은 지구형 행성으로 확인되었다. 이들 대부분은 슈퍼지구 즉, 질량이 지구와 해왕성 사이인 행성이다. 슈퍼지구는 질량과 다른 매개변수에 따라 가스 행성이거나 지구형일 수 있다.

주계열성 주위를 공전하며 지구형 행성일 가능성을 보이는 최초의 행성들(글리제 876 d, OGLE-2005-BLG-390Lb)이 2005년에 발견되었다.

2007년부터 2010년까지 글리제 581 행성계 내부에서 3개(아마 4개)의 잠재적 지구형 행성이 발견되었다. 가장 작은 행성인 글리제 581e는 지구 질량의 약 1.9배에 불과하지만^[16] 별에 매우 가깝게 공전한다.^[17] 다른 두 행성인 글리제 581c와 글리제 581d는 더 질량이 큰 슈퍼지구이며, 별의 생명체 거주 가능 영역 내 또는 그 근처에서 공전하므로 지구와 같은 온도를 가지고 생명체가 존재할 가능성이 있다.

2011년에 또 다른 지구형 행성일 가능성이 있는 HD 85512 b가 발견되었는데, 지구 질량의 최소 3.6배이다.^[18] 이러한 행성들의 반지름과 구성은 알려져 있지 않다.

2013년 천문학자들은 케플러 우주 임무 데이터를 바탕으로, 생명체 거주가능 영역에 있는 태양과 같은 별과 적색 왜성 주위를 공전하는 지구 크기 및 슈퍼지구 크기의 외계 행성이 은하수에 최대 400억 개나 존재할 수 있다고 보고했다.^[28][29][30] 이 추정치 중 110억 개의 행성은 태양과 같은 별 주위를 공전할 수 있다.^[31] 과학자들에 따르면, 가장 가까운 그러한 행성은 12광년 떨어져 있을 수 있다.^[28][29] 그러나 지구만큼 작은 행성 중에서도 가스 행성으로 밝혀진 행성이 있기 때문에(케플러-138d 참조), 이는 지구형 외계 행성의 수에 대한 추정치를 제공하지 않는다.^[32]

유럽 남방 천문대(ESO)는 원시행성계 원반의 내부 영역에서 지구형 행성의 재료가 되는 암석질 미행성의 형성이 진행되고 있다는 관측 결과를 발표하였고, 시뮬레이션(수치 계산 실험) 기술의 발달로 많은 항성에 지구형 행성이 존재할 가능성이 높다는 생각이 강해지고 있다.

4. 1. 발견의 어려움

• 알렉산더 볼시찬은 펄서 PSR B1257+12 주위에서 지구 질량의 0.02배, 4.3배, 3.9배인 행성들을 발견했다. 이는 펄서의 맥동 변화를 통해 확인되었으며, 펄서 행성이 아니었다면 발견되지 않았을 것이다.
• 주계열성 주위를 도는 행성 중 최초로 발견된 페가수스자리 51b는 항성에 매우 가까워(0.052AU) 거대한 지구형 행성으로 추측되었으나, HD 209458 b와 마찬가지로 가스 행성으로 밝혀졌다.
• 2005년 6월 13일, 지구에서 15광년 떨어진 적색왜성 글리제 876 주위에서 지구 질량의 5~7배, 공전주기 2일의 글리제 876d가 발견되었다.
• 2005년 8월 10일, PLANET/RoboNet과 OGLE은 중력렌즈 관측법을 통해 지구 질량의 5.5배인 OGLE-2005-BLG-390Lb를 발견했다. 이 행성은 약 21,000광년 떨어진 전갈자리의 항성 주위를 돌며, 모항성과의 거리는 태양~소행성대 정도이다.
• 2007년 4월 4일, 11명의 유럽 과학자들은 칠레 라 실라의 유럽 남방 천문대 망원경으로 지구와 비슷한 온도를 가진 글리제 581c를 발견했다. 이 행성은 적색왜성 글리제 581 주위를 돌며, 질량은 지구의 약 5배이다. 규산염질 행성일 경우 지름은 지구의 1.5배로 추측된다.
• 2007년 4월 24일, 스위스 제네바 연구소의 스테판 우드리 팀은 글리제 581d가 생물권 내에 존재하여 액체 물이 존재할 수 있다고 발표했다. 2009년 4월 21일 추가 연구를 통해 d가 생물권 내를 공전한다는 것이 확인되었다.
• 2009년, 유럽 남방 천문대는 CoRoT-7b가 외계 지구형 행성일 가능성이 있다고 발표했다. CoRoT-7b는 질량과 반지름이 모두 밝혀져 밀도 계산이 가능했으며, 이를 통해 지구형 행성으로 추정된 최초의 사례이다.^[39]
• 2011년, 케플러 우주 망원경은 통과 방법을 사용하여 최초로 확인된 지구형 외계행성인 케플러-10b를 발견했다.^[19]
• 2020년 9월, 천문학자들은 마이크로렌징 기법을 사용하여 은하수에서 자유롭게 떠돌아다니는 지구 질량의 떠돌이 행성(OGLE-2016-BLG-1928)을 최초로 탐지했다.^[25][26][27]

4. 2. 주요 발견 사례

2007년 4월 4일, 11명의 유럽 과학자들로 구성된 관측팀은 태양계 밖에서 지구 정도의 온도를 지닐 것으로 추측되는 글리제 581c를 발견했다. 이 행성은 칠레 라 실라 소재 유럽 남방 천문대의 망원경을 통해 발견되었으며, 적색왜성 글리제 581 주위를 돌고 있었다. 질량은 지구의 약 5배였다.

2007년 4월 24일 스위스 제네바 연구소의 천문학자 스테판 우드리 팀은 글리제 581d를 발견했다. 이 행성은 생물권 내에 자리잡고 있어 액체 물이 표면에 존재할 수 있는 환경으로 보였다. 이 행성은 칠레 라 실라 소재 유럽 남방 천문대의 망원경을 통해 발견되었으며, 적색왜성 글리제 581 주위를 돌고 있었다. 종전 이론으로는 글리제 581d가 생물권 바깥을 돌고 있다고 생각했다. 그러나 2009년 4월 21일 발표된 새로운 연구 결과에 따르면 d는 생물권 내를 공전하고 있는 것으로 확인되었다.

2009년, 유럽 남방 천문대는 CoRoT-7b가 외계 지구형 행성일 가능성이 있다고 발표했다. 2009년 이전에도 외계 지구형 행성으로 여겨지는 천체가 여러 개 관측되었지만, 이들은 질량과 공전 궤도를 통해 지구형 행성으로 추정된 것들이었다. CoRoT-7b의 경우 질량뿐 아니라 행성의 반지름까지 밝혀졌기 때문에 평균 밀도를 계산할 수 있게 되었다. 구체적인 천체의 밀도를 기반으로 지구형 행성일 가능성이 높다고 판단된 것은 이것이 처음이다.^[39]

최초로 확인된 지구형 외계행성인 케플러-10b는 2011년에 다른 별 주위의 지구 크기의 행성을 발견하도록 특별히 설계된 케플러 우주 망원경에 의해 발견되었는데, 통과 방법을 사용했다.^[19]

같은 해에 케플러 우주 망원경 임무팀은 1235개의 외계 행성 후보 목록을 발표했는데, 여기에는 "지구 크기" 또는 "슈퍼지구 크기"(즉, 지구 반지름의 2배 미만)^[20]이고 별의 생명체 거주 가능 영역에 있는 6개의 행성이 포함되어 있다.^[21] 그 이후로 케플러는 달 크기부터 슈퍼지구까지 수백 개의 행성을 발견했으며, 이 크기 범위의 후보가 훨씬 더 많다.

4. 3. 유형 I, 유형 II

지구형 행성에는 항성과의 거리에 따라 두 가지 유형이 있다.

항성에서 멀리 형성된 행성은 표면의 마그마 오션이 수백만 년 이내에 굳어 초기 바다 형성에 성공하는 "유형 I"이다. 반면, 항성에서 가까이 형성된 행성은 고화에 1억 년이라는 긴 시간이 걸려 그동안 물 대부분을 잃고 초기 바다 형성에 실패하는 "유형 II"이다.^[40]

이러한 차이는 항성과의 거리에 따라 결정되며, 태양계의 경우 그 경계는 태양에서 지구까지 거리(1au)의 0.6~0.8배 부근으로 추정된다. 지구는 유형 I, 0.72au 거리에 있는 금성은 유형 II일 가능성이 높다.^[40]

참조

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