미국 워싱턴 대학의 최근 연구에 따르면, 이전에 '거주 가능 후보'로 여겨졌던 많은 외계 행성이 별의 거주 가능 구역에 위치하고 액체 물이 존재하기에 적합한 표면 온도를 갖고 있다고 하더라도 너무 건조하면 생명체가 살기에 완전히 부적합할 가능성이 매우 높다는 사실이 지적되었습니다.

연구팀은 지구와 비슷한 크기의 암석 행성의 경우, 오랜 지질학적 시간 규모에 걸쳐 안정적이고 거주 가능한 표면 환경을 유지하려면 그 표면의 물량이 적어도 지구 해양 전체 부피의 약 20~50%에 도달해야 한다는 사실을 발견했습니다. 이는 소위 "사막 행성"이라고 불리는 다수의 궤도가 "딱 맞는" 위치에 있더라도 수자원 측면에서 생명을 유지하는 데 적합하지 않을 가능성이 높다는 것을 의미합니다.

현재까지 천문학자들은 6,000개 이상의 외계 행성을 확인했으며, 은하계 전체에 수십억 개의 유사한 물체가 존재할 것으로 예상됩니다. 그것의 상당 부분은 이론적으로 온도가 액체 물이 존재할 수 있는 별의 거주 가능 구역 내에 속합니다. 그러나 워싱턴 대학 팀은 "올바른 위치에 있는 것"은 방정식의 일부일 뿐임을 강조합니다. 지구에는 여전히 장기적으로 안정적인 기후 조절 메커니즘이 필요하며 이는 물이 암석권 및 대기와 어떻게 상호 작용하는지에 따라 크게 달라집니다.

논문의 제1저자이자 지구우주과학 박사과정 학생인 하스켈 화이트-지아넬라(Haskell White-Giannella)는 광대한 우주와 제한된 관찰 자원에서 생명체를 찾을 때 우리는 표적화된 방식으로 일부 행성 표적을 "걸러내는" 방법을 배워야 한다고 말했습니다. 이 연구는 실제로 거주 가능한지 여부를 평가하기 위해 지구 해양 전체보다 훨씬 적은 지표수 보유량이 극도로 낮은 건조한 행성에 초점을 맞추고 있습니다.

이번 연구 결과는 행성과학저널(Planetary Science Journal)에 게재됐다. 그 핵심은 행성 지질 탄소 순환의 핵심 과정에 있습니다. 지구상에서 이 물 중심 순환은 수백만 년에 걸쳐 대기와 행성 내부 사이에서 탄소를 이동시켜 지구 표면 온도를 조절하는 데 도움을 줍니다.

지구에서는 화산이 이산화탄소를 대기 중으로 방출한 후 빗물에 용해됩니다. 빗물은 표면 암석과 화학적으로 반응하고, 강은 탄소질 물질을 바다로 운반하여 해저에 퇴적시킵니다. 판 구조 운동과 함께 탄소가 풍부한 해양 지각이 대륙 아래로 섭입되었으며 산악 건설과 같은 과정에서 오랜 기간에 걸쳐 탄소가 표면으로 다시 올라왔습니다.

그러나 행성에 꾸준하고 광범위한 강우량을 유지할 만큼 충분한 물이 부족하면 이 탄소 순환 "온도 조절 장치"가 무너집니다. 강수량과 풍화 작용이 약해지면 이산화탄소를 대기 밖으로 "끌어내는" 효율이 크게 감소하는 반면 화산 분출은 계속됩니다. 그 결과 대기 중 이산화탄소가 계속 축적되어 온실 효과가 강화되고 기온은 더욱 상승하며, 남은 물도 빠른 속도로 증발해 결국 지구 표면이 너무 뜨거워져 사람이 살 수 없게 되는 악순환을 형성하게 된다.

White-Giannella는 이것이 거주 가능 구역에 위치한 건조한 지구형 행성이라 할지라도 생명체를 찾는 이상적인 표적이 아닐 가능성이 높다는 것을 의미한다고 지적했습니다. 이 연구는 또한 이전의 이론적 연구에서 건조한 행성의 탄소 순환 메커니즘이 체계적인 조사에서 상대적으로 부족하여 사람들이 "사막 외계 행성"의 거주 가능성에 대해 지나치게 낙관하게 만들 수 있음을 상기시킵니다.

암석으로 이루어진 외계 행성을 직접 관찰하는 것은 여전히 ​​매우 어렵기 때문에 과학자들은 종종 수치 시뮬레이션에 의존하여 장기적인 기후 변화와 물 순환 특성을 탐구합니다. 이번 연구에서 연구팀은 기존 탄소 순환 모델을 개선하고, 특히 건조한 환경에 대한 증발 및 강수와 같은 주요 과정을 재특성화했으며, 바람장이 수증기 분포 및 증발 효율에 미치는 영향과 같이 과거에는 종종 무시되었던 요소를 도입했습니다. 논문의 공동저자이자 워싱턴대학교 지구우주과학과 조교수인 조슈아 크리스산슨-토텐(Joshua Krissanson-Totten)은 이러한 유형의 정교한 "메커니즘 기반" 탄소 순환 모델이 원래 지구의 오랜 지질학적 역사에서 지구의 기후 진화와 온도 조절을 이해하는 데 사용되었으며 현재는 외계 행성 연구로 확장되고 있다고 말했습니다. 새로운 결과는 건조한 행성이 초기 단계에서는 일정량의 지표수를 보유하고 있더라도 후기 단계에서는 탄소 순환의 불균형으로 인해 물을 잃을 가능성이 높으며 잠재적으로 거주 가능한 세계에서 뜨겁고 거주할 수 없는 '불균형 행성'으로 진화할 가능성이 높다는 것을 보여줍니다.

연구는 또한 근처의 "자연 실험"인 금성에도 관심을 돌렸습니다. 금성은 지구와 크기가 비슷하고 같은 시기에 형성되었으며 일부 모델에서는 초기에 지구만큼 많은 양의 물이 있었을 수도 있다고 제안합니다. 그러나 오늘날 금성의 표면 온도는 장작불 피자 오븐과 맞먹고, 표면 압력이 너무 높아 "마치 흰긴수염고래 열 마리가 동시에 누르는 듯한 느낌"이 든다.

과학계는 지구와 금성이 왜 그렇게 다른 진화 경로를 택했는지 오랫동안 논쟁을 벌여 왔습니다. White-Giannella와 Crisanson-Totten은 금성이 태양에 더 가깝고 초기 물의 양이 약간 적기 때문에 초기에 탄소 순환 불균형과 온실가스 폭주 과정을 촉발했을 수 있다고 제안했습니다. 대기 중에 이산화탄소가 계속 축적되고 기온이 점차 상승하면서 결국 많은 양의 물이 사라지고, 한때 존재했던 생명체도 서식지를 잃게 된다.

앞으로 몇 년 안에 금성에 대한 여러 예정된 임무가 이 "자매 행성 미스터리"에 답하고 위에서 언급한 탄소 순환 모델의 주요 추론을 테스트할 것으로 예상됩니다. White-Giannella는 가까운 시간 내에 인간이 실제 외계 행성의 표면에 착륙하는 것이 거의 불가능하지만 "지구와 유사한 외계 행성의 가장 가까운 유사체"인 금성이 독특한 창을 제공한다고 믿습니다.

연구팀은 이번 임무에서 얻은 데이터가 건조한 행성의 탄소 순환 불균형에 대한 이론적 틀을 검증하고, 먼 외계 행성의 대기 특성과 진화 상태를 해석하는 데 사용될 것으로 기대하고 있습니다. Krissanson-Totten은 이 연구가 우주에서 잠재적으로 거주 가능한 행성의 "실제 목록"을 평가하는 방법에 중요한 영향을 미친다고 지적했습니다. 한때 대략적으로 "거주 가능한 후보"로 분류되었던 많은 목표는 보다 엄격한 수분 함량 및 탄소 순환 기준에 따라 재분류될 가능성이 높습니다.