케플러-22b(Kepler-22b)를 묘사한 상상도다. 이 행성은 모항성의 생명가능영역(habitable zone)에 위치한 슈퍼지구다. 출처: 미국항공우주국(NASA)

생명에 적합한 행성이 형성되기 위한 핵심 조건은 무엇일까? 케임브리지 대학교(University of Cambridge)의 천문학자 크레이그 월턴(Craig Walton) 연구팀이 주도한 새로운 연구는 이 질문에 답하려 한다.

이 과정은 지구와 같은 금속-암석 행성의 성장에서 시작한다. 이 과정은 행성 화학 분화(planetary chemical differentiation)라고 부른다. 행성은 지름 수십에서 수백 킬로미터에 이르는 소행성의 강착(accretion), 즉 물질의 축적을 통해 점차 성장한다. 충돌 이후 남은 열과 방사성 원소 붕괴로 생성된 열이 함께 작용해 행성 배아 내부를 가열한다.

이 단계의 마지막에 이르면 지름 약 1,000킬로미터 규모의 행성체가 용융하고 구성 성분의 화학적 분리가 일어난다. 이 과정에서 금속 핵, 맨틀, 지각이 형성한다. 이러한 층상 분화 과정은 이제 행성이 생명체를 탄생시킬 수 있는 능력에서 핵심적 역할을 한다는 사실이 드러난다.

지구 표면에서의 원소 풍부도를 강조하도록 크기를 조정한 주기율표다. 더 풍부한 원소일수록 칸의 크기를 더 크게 표시했다. 출처: 윌리엄 F. 시핸(William F. Sheehan) / 산타클라라 대학교(Santa Clara University), CC BY

행성체의 분화

이러한 역학은 화학 원소가 서로 다른 친화도에 따라 내부에서 분리되는 현상을 수반한다. 금속 원소는 철과 합금을 형성하며, 풍부한 니켈을 제외하면 대부분 행성 핵의 일부가 된다.

비금속 성질을 가진 가벼운 원소인 인(phosphorus)은 생명에 필수적인 역할을 하며 이러한 금속 용융체에 보존된다. 행성 내부에서 수십 기가파스칼 규모의 높은 압력 조건에서 액체 금속과 공존하는 철이 풍부한 고체에 인은 질량 기준 최대 약 4%까지 용해할 수 있다.

그러나 공존하는 액체와 고체의 조성과 함께 용융 온도도 크게 변할 수 있다.

원소 비율: 복잡한 과정

크레이그 월턴의 새로운 연구는 행성 표면에 존재해야 하는 생명 필수 원소가 세 가지 요인의 조합과 직접적으로 관련된다는 사실을 보여준다.

첫째, 행성이 형성된 행성계 전체의 화학 조성에서 물려받은 성분이다.

둘째, 행성 분화 과정이 그 조성을 부분적으로 변화시킨 결과다.

셋째, 산소 방출(oxygen fugacity)에 따라 핵과 맨틀 사이에서 일어나는 원소의 내부 분배다. 이 개념은 철이나 탄소처럼 다양한 산화 상태로 존재할 수 있는 원소와 반응할 수 있는 산소의 가용량을 의미한다.

우연도 중요한 역할을 한다. 항성의 화학 조성에 관한 천체물리학 연구는 우리 은하에서 상당한 화학적 차이가 존재한다는 사실을 보여준다. 이러한 차이는 생명에 필수적인 원소의 상대적 풍부도에 변화를 일으킨다.

이러한 “우주화학적 분산(cosmochemical dispersion)”은 은하 내에서 인과 질소의 국소적 풍부도가 서로 다르기 때문에 발생한다. 현재 우리는 다른 별 주위를 도는 약 6,000개의 외계행성을 발견했지만, 이 행성들이 지구와 동일한 조성을 가질 것이라고 기대할 수는 없다.

이를 설명하기 위해 연구자들은 외계행성 맨틀에서 이용 가능하게 되는 인(P)과 질소(N)의 비율 분산을 보여주는 도표를 만들었다. 모든 항성계가 동일한 조성을 가진 행성을 형성하지 않기 때문이다.

은하에서는 자연적으로 생명에 핵심적인 이러한 원소의 상대적 풍부도가 암석 형성 원소와 비교해 크게 달라질 수 있으며, 그래프는 이러한 다양한 가능성을 보여준다.

행성 맨틀의 인(phosphorus)과 질소(nitrogen) 함량 변화는 행성의 미래 우주생물학적 가능성을 좌우한다. 맨틀에서 지구보다 인이 부족한 행성을 나타내는 영역은 검은색 음영으로 표시했고, 질소가 부족한 영역은 흰색 음영으로 표시했다. 두 원소가 모두 부족한 경우는 왼쪽 아래 모서리에서 두 패턴을 함께 사용해 표시했다. 출처: 월턴 외(Walton et al., 2026)

생명의 화학적 조성은 보편적일 수 있지만 항상 재현되는 것은 아니다

따라서 은하에서 생명이 흔하지 않을 수 있는 이유는 이러한 선행 화학 분화 과정과 다른 행성 환경에서 발생할 수 있는 화학 원소의 결핍 때문일 수 있다.

다른 세계에서 생명이 등장하려면 필수 원소가 맨틀과 지각이 형성되는 정확한 시점에 존재해야 한다. 그러나 인과 질소 같은 핵심 원소를 행성 내부에서 재분배하는 지구물리학적 과정 때문에 이는 결코 단순한 일이 아니다. 이러한 과정은 생명이 번성할 확률을 제한하는 역할을 한다.

이는 우리가 새롭게 발견하는 외계행성의 화학적 특성을 분석하며 외계 생명을 탐색할 때 매우 중요한 요소다. 일부 행성이 별의 원반 앞을 통과하는 통과(transit) 동안 얻은 분광 자료로 대기의 형성 원소를 추론해야 하므로 이 연구는 매우 큰 도전 과제를 제시한다.

어쨌든 이제 우리는 외계행성 대기에 존재하는 화학 종을 식별하기 시작했다. 앞으로는 이러한 화학 종이 행성 표면의 화학 조성과 어떻게 연관되는지 이해하기 위한 모델을 개발해야 한다. 동시에 우연 자체가 다른 세계에서 생명의 출현에 장벽으로 작용할 수 있다는 사실도 염두에 두어야 한다.

[출처] La diferenciación planetaria es clave para que surja vida extraterrestre

[번역] 하주영

덧붙이는 말

호셉 M. 트리고 로드리게스(Josep M. Trigo Rodríguez)는 스페인 국립연구위원회 우주과학연구소(Instituto de Ciencias del Espacio, ICE-CSIC) 운석·소천체·행성과학 연구그룹 책임연구원이다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.