태양계에서 물이 존재한다고 알려진 지구 외 천체들

현재까지는 우리 태양계 내에서 지구에서만 물이 직접적으로 발견되었다. 하지만 다른 천체들에서도 물이 존재한다는 과학적인 증거들이 발견되었다. 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등의 대기에 많은 물이 존재하고 있을 것으로 생각되고 있지만, 위 행성들은 질량 대부분이 가스나 유체가 차지하고 있는 가스행성이다. 따라서 천문학자들은 이러한 행성들보다 이들의 위성에 더 큰 관심이 있다. 이들의 위성이나 왜행성들은 규산염 암석 등으로 이루어져 있어서 상대적으로 지구와 비슷한 구조를 지니고 있어서 생명체의 거주에 보다 나은 상황이기 때문이다.

보이저 탐사선, 파이어니어 10, 11호, 카시니-하위헌스 탐사선, 뉴허라이즌스 탐사선, 주노 탐사선 등 수많은 과거 탐사선과 허블 우주망원경으로의 관측 결과를 통해서 발견된 과학적 증거를 통해서, 목성의 달 가니메데, 칼리스토, 유로파, 토성의 달 타이탄, 미마스, 엔셀라두스, 해왕성의 달 트리톤, 왜소행성 세레스와 명왕성 등에 물이 각각 다른 여러 형태로 존재하는 것이 밝혀졌다.

목성의 얼음 위성들 - 가니메데, 칼리스토, 유로파, 이오

가니메데(Ganymede, Jupiter III)는 태양계 행성을 도는 위성 중 가장 큰 크기를 자랑한다. 보이저 1호가 측정한 위성의 크기에 따르면 달과 비교해서 두 배 정도 큰 크기를 자랑하며 심지어 태양계의 첫 번째 행성인 수성보다 크기가 크다. 갈릴레이가 발견한 갈릴레이 위성 (가니메데, 칼리스토, 유로파, 이오) 중 세 번째 위성으로 지구 시간으로 약 7일 만에 목성 한 바퀴를 돌며 다른 갈릴레오 위성들과 궤도 공명(공전하는 두 천체가 정수비를 만족하는 공전 주기로 인해 서로에게 주기적으로 중력적인 영향을 가할 때 발생)을 일으킨다.

갈릴레오 탐사선은 가니메데가 얼음 위성임을 발견했으며 자기장이 존재함을 발견했다. 따라서, 태양계 위성 중 유일하게 자체 자기장이 있는 천체이다. 위 위성은 평균 밀도와 분광학적 결과를 통해서 규산염 암석과 얼음이 비슷한 비율로 구성되어 있으며, 중심은 철이 풍부한 액체 상태의 핵 그리고 바깥 부분은 얼음과 액체 상태의 물이 여러 층을 이루고 있는 것으로 파악된다. 또한 가니메데의 대기에는 옅은 산소층이 있는 것으로 알려져 있다.

칼리스토 (Callisto, Jupiter IV) 역시 갈릴레이 위성 중 하나로 태양계에서 세 번째로 큰 위성이다. 수성과 비슷한 크기를 자랑하고 있으며. 갈릴레이 위성 중 가장 바깥쪽에 자리 잡고 있다. 이 때문에 목성의 방사선대에서 멀리 떨어져 있으며 다른 위성들에 비해서 자기권이 약하다. 위 행성은 특이하게도 갈릴레이 위성들과 궤도 공명을 일으키지 않고 있으며 목성에 조석 고정되어 있어서 지구의 달처럼 항상 같은 면만을 목성에 보여주고 있다.

위 위성 역시 얼음과 암석이 비슷한 비율로 구성되어 있다고 예측되고 있으며 분광학적 결과를 통해서 얼음, 이산화탄소, 규산염 및 다양한 유기화합물이 발견된 바 있다. 또한, 칼리스토의 지하 깊이 지하수가 존재하고 있을 가능성도 있다. 칼리스토는 이산화탄소와 산소로 이루어진 매우 옅은 대기권을 가지고 있으며 강한 전리층도 가지고 있으리라 추측된다. 다만 위 위성은 충돌구가 많이 존재함에 따라서 생명체에 친화적이진 않을 수도 있다는 의견이 존재한다.

유로파(Europa, Jupiter II)는 두 번째 갈릴레이 위성으로 달보다 약간 작은 크기이다. 중심부는 철로 이루어져 있으며 산소로 이루어진 옅은 대기권이 있다. 표면엔 충돌구가 매우 드물며, 얼음으로 구성되어 있다. 덕분에 태양계의 지구형 천체들(행성 및 위성) 중 가장 큰 반사율을 자랑하고 있다.

2013년 미항공우주국(NASA)과 허블 우주망원경팀은 토성의 위성 엔셀라두스에서 발견된 것과 비슷하게 이 위성에서도 수증기 기둥이 관측되었음을 알린 바 있으며, 2014년 이 위성에서 판 구조 활동이 일어나고 있음을 발견했다. 이를 통해서 유로파 지하에는 바다가 존재할 수 있음이 추측되고 있다. 결과적으로 유로파 위성은 지구를 제외한 태양계의 천체 중 생명체가 살고 있을 확률이 가장 높은 천체로 인식되고 있다.

이오(Io, Jupiter I)는 첫 번째 갈릴레이 위성으로 태양계에서 네 번째로 큰 위성이다. 위 위성의 특이한 점은 다른 위성들과 다르게 얼음이 주성분이 아니라는 점이다. 위성의 밀도는 지구의 그것과 비슷한 정도이며, 달보다도 높아서 태양계의 모든 위성 중 가장 높은 밀도를 자랑한다. 이를 통해서, 용융 상태의 철과 철 핵을 둘러싼 규산염 암석으로 이루어져 있다고 추측된다.

표면에는 수많은 활화산을 가지고 있는 것으로 예측되고 있으며, 이들 중 일부는 지구에서 가장 높은 에베레스트 산보다 더 높은 크기를 자랑한다. 목성 및 다른 위성들과의 중력적 상호작용 때문에 극단적인 지질 활동을 보여주고 있으며, 화산에서 황과 이산화황 등의 연기가 분출되고 있다.

목성의 갈릴레이 위성들은 모두 2023년 4월 14일에 발사된 유럽우주국 (ESA)의 주스 (JUICE: JUpiter ICy moons Explorer) 탐사선(주로 가니메데, 칼리스토, 유로파 탐사 목적이나 이오 위성도 관측 예정)과 2024년 발사 예정인 미항공우주국의 유로파 클리퍼 (Europa Clipper) 탐사선(주로 유로파 탐사 목적이나 칼리스토, 이오 등 나머지 갈릴레오 위성들도 관측 예정)의 목표로 선정되었다.

토성의 위성 - 타이탄, 미마스, 엔셀라두스

타이탄(Titan, Saturn VI)은 토성으로부터 20번째 떨어진 위성이지만 토성의 위성 중 가장 큰 크기를 자랑하고 있으며, 태양계 내에서 비교해도 가니메데 다음으로 큰 위성이다. 이 위성 역시 수성보다 더 큰 크기를 자랑하고 있다. 타이탄의 표면은 주로 얼음과 암석으로 이루어져 있으며 카시니-하위헌스 탐사선의 관측으로 인해서 액체 탄화수소로 가득 찬 호수가 존재함이 밝혀졌다. 따라서 지구처럼 표면에 안정된 액체가 존재하고 있다고 알려진 태양계 최초의 천체이다.

타이탄은 질소, 메테인 등으로 이루어진 짙은 대기를 가지고 있으며, 호수와 짙은 대기로 인해서 다양한 기상 현상이 발생한다. 이는 원시 지구의 모습과 유사하기에 타이탄에는 복잡한 유기화합물 형태의 생명체가 아니더라도 미생물 등 간단한 형태의 생명체는 존재할 수 있을 것으로 예측되고 있다. 특히 액체 바다에는 생명체가 태동할 수 있는 충분한 환경을 갖추고 있다.

미마스(Mimas, Saturn I)는 토성의 첫 번째 위성이다. 미마스는 자체 중력으로 구형 외관을 유지하고 있는 천체 중 가장 작은 크기를 자랑한다. 따라서 미마스의 중력과 질량은 자체 구형을 유지할 수 있는 제한점과 비슷하리라 추정된다. 다만 카시니-하위헌스의 최근 관측에 따르면 토성의 기조력으로 인해서 완벽한 구형은 아닌 것으로 밝혀졌다. 미마스의 밀도 결과 관측을 통해서 내부는 대부분 물과 얼음으로 채워져 있다고 예측되고 있다.

엔셀라두스(Enceladus, Saturn II)는 토성의 위성 중 6번째로 큰 위성이지만 타이탄에 비해서는 매우 작은 천체이다. 보이저 탐사선과 카시니-하위헌스 탐사선의 분광학적 결과를 통해서 엔셀라두스의 표면이 대부분 깨끗하고 맑은 얼음으로 덮여 있음이 밝혀졌으며, 실제로, 엔셀라두스 위성의 표면은 거의 모든 태양 빛을 반사하며 매우 밝게 보인다. 2005년 급기야 엔셀라두스 표면의 세부적인 모습까지 드러나기 시작했다.

엔셀라두스 남극 지방에서는 물이 주성분이며 혜성과 비슷한 화학구조를 가진 물기둥이 발견되었으며, 극지방 근처에서는 수증기, 얼음 결정, 나트륨 화합물 등이 포함된 고체 물질이 우주 공간으로 뿜어져 나오는 모습이 확인되었다. 따라서 엔셀라두스는 태양계의 위성 중 목성의 이오 위성, 해왕성의 트리톤 위성 다음으로 내부 물질이 뿜어져 나오는 현상이 확인된 세 번째 천체이다. 중요한 점은 이러한 물기둥 간헐천이 한두 개가 아니라는 점이다.

2014년 카시니-하위헌스 탐사선은 위 위성의 표면 아래 수심 10km의 바다가 존재할 가능성이 높다는 연구 결과를 발표했다. 2015년에는 엔셀라두스 표면에서 뜨거운 온천이 발견되었다. 이전에 발견되었던 이산화규소 역시 뜨거운 온천 등에서 생성될 수 있기에, 위성에 열이 존재하고 얼음층 아래에는 온천이 있을 것으로 예측된다.

해왕성의 위성 - 트리톤

트리톤 (Triton, Neptune I)은 해왕성의 위성 중 가장 큰 크기를 자랑하며 태양계 위성 중에서도 상당히 큰 크기이다. 특이하게도 해왕성을 역행 궤도로 공전하고 있기에 주변 카이퍼벨트와 같은 장소에서 생성된 후, 해왕성의 중력에 이끌려서 해왕성계에 잡힌 것으로 예측된다.

트리톤의 표면은 태양으로부터 워낙에 멀리 떨어져 있음에 낮은 온도의 고체 얼음 그리고 질소 등으로 이루어져 있다고 알려져있다. 밀도와 분광학적 결과를 통해서 얼음으로 된 맨틀, 그리고 금속 및 바위 등으로 이루어진 커다란 핵이 있으리라 예측된다. 앞선 설명처럼 트리톤 역시 질소 등의 고체 물질이 우주공간으로 뿜어져 나오는 기둥을 가지고 있으며, 대기 역시 희박한 질소로 이루어져 있으리라 예측된다.

왜소행성 세레스와 명왕성

소행성대에 존재하는 유일한 왜행성 세레스(1 Ceres)는 소행성대에서 가장 크고 무거운 구형 천체이다. 세레스의 내부는 암석질의 핵 그리고 얼음 맨틀 등으로 구성되어 있다고 예측되며, 표면 아래에는 물로 이루어진 바다가 존재하는 것으로 생각되고 있다. 따라서, 위 왜행성 역시 액체 얼음과 다양한 수화물 (Hydrate: 분자 내에 물 분자를 포함하고 있는 물질) 등으로 이루어져 있다고 알려져있다.

이제는 더 이상 행성이 아닌, 먼지 원반 안에 존재하는 왜행성 명왕성(134340 Pluto) 역시 암석과 얼음으로 이루어져 있다. 태양으로부터 매우 멀리 떨어져 있는 탓에 기온이 매우 낮다. 평균 표면 온도는 40 K 정도밖에 되지 않으며, 위 온도에서는 산소와 메테인 등이 고체로 존재하고 있다. 참고로 명왕성이 다시 행성으로 격상될 확률은 매우 희박하다. 명왕성의 위성으로 알려진 카론은 명왕성의 절반에 달하는 큰 크기를 자랑하고 있으며, 두 천체의 질량 중심 역시 명왕성의 내부가 아닌 두 천체 사이에 존재하고 있다. 따라서, 명왕성은 궤도 주변에서 다른 천체들에 지배적인 역할을 행사하고 있지 못한다. 결론적으로 명왕성은 태양계 외곽의 흔하디 흔한 얼음 천체 중 하나일 수 있다.

태양계에 또 다른 생명체가 살고 있을까? (1) - 태양계에서 생명체 흔적을 찾다

태양계에 또 다른 생명체가 살고 있을까? (2) - 목성 위성 가니메데, 칼리스토, 유로파, 토성 위성 타이탄, 미마스, 엔셀라두스, 해왕성 위성 트리톤, 그리고 왜소행성 세레스와 명왕성

태양계에 또 다른 생명체가 살고 있을까? (3) - 주스 탐사선, 목성계에 2031년 도착해 얼음 위성과 목성의 대적점 연구 예정