지구과학 고3 우주 탐사와 행성계

생명 가능 지대

액체 물이 존재할 수 있는 항성으로부터의 거리 범위(골디락스 존)를 항성의 광도·온도에 따라 계산한다.

항성으로부터 적당히 떨어져 있어서 행성 표면에 물이 액체 상태로 존재할 수 있는 거리의 범위입니다. 골디락스 존이라고도 부릅니다.

모닥불 앞에 앉는 것과 같습니다. 너무 가까우면 뜨겁고 너무 멀면 춥습니다. 딱 알맞게 따뜻한 자리가 있는데, 불이 클수록 그 자리는 뒤로 물러납니다.

쉽게 말하면

외계 행성 탐사로 행성을 찾아내면 곧바로 다음 질문이 나옵니다 — 저기에 생명이 있을 수 있는가. 우리가 아는 모든 생명은 물을 용매로 씁니다. 물은 여러 물질을 녹여 화학 반응이 일어날 마당을 만들어 주는데, 얼음이나 수증기 상태로는 그 역할을 하지 못합니다. 그래서 '액체 물이 가능한가'가 첫 관문이 됩니다.

행성 표면의 온도를 정하는 것은 단위 시간·단위 면적당 받는 항성의 에너지입니다. 이 값은 항성의 광도 $L$ 에 비례하고 거리의 제곱에 반비례합니다.

$받는 에너지 \propto \frac{L}{d ^{2}}$

따라서 지구가 태양에서 받는 만큼의 에너지를 받으려면, 광도가 큰 별일수록 더 멀리 떨어져야 합니다. 태양의 광도를 기준으로 하면 생명 가능 지대의 중심 거리는 대략 $d \approx L / L_{⊙} AU$ 부근입니다. 광도가 태양의 100배인 별이라면 $100 = 10$ , 즉 지구보다 10배 먼 곳이 그 자리입니다.

다만 생명 가능 지대는 '온도가 알맞은 띠'일 뿐, 그 안에 있다고 생명이 보장되지는 않습니다. 행성이 대기를 붙들어 둘 만큼 무거운지, 대기압이 물을 액체로 유지할 만큼 되는지, 온실 효과가 지나치지 않은지가 모두 걸립니다. 실제로 금성은 생명 가능 지대의 안쪽 경계 부근에 있지만 폭주 온실 효과로 표면이 극도로 뜨겁고, 생물의 특성을 만족하는 어떤 것도 그곳에서는 버티기 어렵습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

광도가 큰 별의 생명 가능 지대

$d \approx \frac{L}{L _{⊙}} AU$

광도가 태양의 4배인 별이라면 $4 = 2$ , 즉 지구 궤도의 2배쯤 되는 거리가 알맞은 자리입니다. 광도가 클수록 지대는 멀어지고 폭도 넓어집니다.
예시 2

적색 왜성의 생명 가능 지대

태양보다 훨씬 어두운 적색 왜성은 생명 가능 지대가 별에 바짝 붙어 있습니다. 그런데 그렇게 가까우면 행성이 강한 조석력을 받아 한쪽 면만 별을 향하게 되기 쉽고, 별의 강한 플레어를 정면으로 맞습니다. 지대 안에 있다는 것만으로 안심할 수 없다는 사실을 보여 주는 예입니다.
예시 3

생명 가능 지대 밖의 액체 물

목성의 위성 유로파는 태양에서 아주 멀어 표면이 두꺼운 얼음으로 덮여 있지만, 목성의 조석력이 내부를 주물러 열을 내기 때문에 얼음 아래 액체 바다가 있을 것으로 봅니다. 즉 열원이 항성만은 아니며, 생명 가능 지대는 '항성이 데워 주는 경우'에 한한 기준입니다.

생명 가능 지대의 안쪽 경계와 바깥쪽 경계

구분	안쪽 경계보다 가까울 때	바깥쪽 경계보다 멀 때
받는 에너지	너무 많음	너무 적음
물의 상태	증발해 수증기로 날아감	얼어붙어 얼음이 됨
일어나는 일	수증기가 온실 효과를 키워 더 뜨거워지는 폭주 온실 효과	표면이 얼음으로 덮여 빛을 반사하며 더 차가워짐
태양계의 예	금성	화성

자주 하는 오해

생명 가능 지대 안에 있으면 생명이 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움이 행성은 생명 가능 지대 안에 있으니 생명체가 살고 있을 것이다

실제로는생명 가능 지대는 생명의 필요조건 중 하나일 뿐, 충분조건이 아닙니다.

지대 안이라는 것은 '항성에서 받는 에너지가 알맞다'는 뜻뿐입니다. 대기가 없으면 압력이 낮아 물이 액체로 남지 못하고, 대기가 지나치면 금성처럼 폭주 온실 효과로 끓어오릅니다. 달은 지구와 태양에서 사실상 같은 거리에 있지만 대기도 물도 없습니다. 거리 하나로 결정되는 문제가 아닙니다.

밝고 무거운 별일수록 생명체를 찾기 좋다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움광도가 큰 별은 생명 가능 지대가 넓으니 생명이 생길 가능성도 크다

실제로는무거운 별은 수명이 짧아서, 넓은 지대를 가지고도 생명이 진화할 시간을 주지 못합니다.

별은 무거울수록 연료를 훨씬 빠르게 태워 수명이 급격히 짧아집니다. 지구에서 생명이 나타나 복잡해지기까지 수십억 년이 걸린 것을 생각하면, 별이 안정적으로 빛나는 기간이 생명 가능 지대의 폭만큼이나 중요합니다. '지대가 넓다'와 '생명이 생길 시간이 있다'는 서로 다른 조건입니다.

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자주 묻는 질문

Q1생명 가능 지대의 위치는 계속 그대로인가요?

아닙니다. 별이 나이를 먹으며 광도가 변하면 지대도 함께 이동합니다. 태양도 아주 오랜 시간에 걸쳐 조금씩 밝아져 왔으므로, 생명 가능 지대는 서서히 바깥쪽으로 밀려나고 있습니다. 지금 지대 안에 있다고 영원히 안에 있는 것은 아닙니다.

Q2화성은 생명 가능 지대에 들어가나요?

경계를 어디로 잡느냐에 따라 갈리는 애매한 위치입니다. 과거에 물이 흐른 흔적이 있는 것으로 보아 한때는 액체 물이 있었지만, 지금은 대기가 너무 얇아 기압이 낮고 표면 온도도 낮아 액체 물이 안정적으로 존재하기 어렵습니다. 거리보다 대기를 잃은 것이 결정적이었습니다.

Q3물이 꼭 필요한가요? 다른 액체로도 되지 않나요?

논리적으로는 열려 있는 질문입니다. 다만 우리가 실제로 아는 생명은 전부 물을 쓰고, 물은 다양한 물질을 녹이며 액체로 있는 온도 범위가 넓다는 장점이 있습니다. 그래서 탐색의 출발점을 물로 잡는 것이지, 다른 가능성을 배제했다는 뜻은 아닙니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 지구과학 · 우주 탐사와 행성계 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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조건이 갖춰졌다면 실제로 생명은 얼마나 흔할까요. 외계 생명체에서 드레이크 방정식으로 이 질문을 쪼개 봅니다.

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