The next Venus missions will tell us about habitable worlds elsewhere

금성 탐사, 지구 밖 거주 가능 행성 찾을 열쇠

다빈치+(DAVINCI+)와 베리타스(VERITAS) 탐사로 우리는 금성의 가혹한 운명에 대해 알게 될 수 있다. 이 과정에서 우리는 우주에서 거주가능한 세계가 얼마나 드문 지도 알 수 있다.

지난 주 NASA가 다빈치+와 베리타스의 금성 탐사 계획을 발표하자, 과학계는 놀라움을 금치 못했다. 대부분의 사람들은 30년 간 금성 탐사를 하지 않은 NASA가 2020년대 말까지 한 개의 탐사선을 금성에 보낼 것이라고 예상했었다. 그러나 두 개의 탐사 미션이 공개되자 사람들은 깜짝 놀랐다. 

NASA는 아마 우리가 알고 싶어하는 것이 무엇인지 짚어낸 것 같다. 다빈치+와 베리타스는 금성과 태양계 탐사뿐 아니라, 태양계 외부의 거주 가능하고, 생명체가 있는 세계에 대한 인식에도 크나큰 영향을 미칠 것으로 보인다.

외계행성(Exoplanet)이 지속적으로 발견됨에 따라(현재까지 1만 1,000개가 넘는 외계행성 발견), 우리는 지구 크기의 행성이 지구와 더 비슷한지, 금성과 더 비슷한지 파악할 필요가 있다. 노스캐롤라이나 주립대학 행성학자 폴 번(Paul Byrne)은 “이 결과 중 무엇이 기대했던 것이고 무엇이 가능성이 있는 것인지는 알 수 없다”고 주장한다. 확실하게 파악하기 위해서는 금성을 더 잘 이해해야 한다. 

대부분의 과학자들은 거주가능한 외계행성이라면 물이 있어야 한다는 데 동의할 것이다.

표면 온도가 471°C이고 표면 압력이 지구보다 89배나 더 높은 금성에 물이 존재했다는 것은 불가능해 보인다. 그러나 금성과 지구는 크기와 나이가 거의 같으며, 우리는 금성과 지구가 비슷한 물질로 구성되었고 아주 비슷한 조건으로 탄생했다고 추측한다. 금성은 지구에 비해서 태양과 30% 더 가까운데, 이는 주목할 만 하기는 하지만, 엄청나게 의미가 크지는 않다. 45억년이 흐르고 두 행성은 서로 매우 다른 방향으로 변해왔다.

사실, 오래 전 금성에 물이 있었다는 증거가 계속 나오고 있다. 1978년 발사된 파이오니어 비너스(Pioneer Venus) 탐사선이 대기 중의 중수소-수소 비율(Deuterium-Hydrogen Ratio)을 측정하였는데, 이는 시간이 흐르면서 금성의 물이 많이 사라졌음을 시사했다. 하지만 우리는 금성에 존재하는 물의 역사에 대해 연구하고, 금성 표면의 과거 물 흐름 특징을 발견할 수 있는 적절한 임무를 수행했던 적이 없었다. 또한, 금성이 물과 거주가능 조건에 필수적인 지질학적, 기후학적 조건을 가지고 있었는지도 파악할 수 없었다.

다빈치+의 책임연구원 지아다 아르니(Giada Arney)는 “태양계에는 우리가 모르는 시간 동안 두 개의 거주가능 세계가 나란히 있었을지 모른다”고 주장한다. 비록 금성이 지금은 거주 불가능한 곳이기는 하지만, 한때 거주가 가능했을 지도 모른다는 점은 상황이 조금 더 유리했다면, 금성이 항상 그렇게 가혹한 운명이 아니었음을 의미한다.

그리고 이것은 먼 곳의 외계행성을 연구하는 우리에게 좋은 소식이다. 아르니는 “태양계 너머에는, 우리가 예상했던 것보다 거주가능 행성이 더 많을 수 있음을 시사한다”고 주장한다.

금성에 무슨 일이 일어났는지와 관련하여 두 가지 이론이 있는데, 두 이론 다 우리가 다른 외계행성에 대해 무엇을 기대하는 지에 영향을 미친다. 제한적이기는 하지만 우리가 현재 관찰한 바와 일치하는 첫 번째 이론에 따르면, 금성은 처음부터 뜨거운 상태(Hot Mess)로 시작되었고 온도가 내려간 적이 없다. 행성이 모항성(Host Star) 주위를 가까이 돌수록, 천천히 회전할 가능성이 높다. 또는 달이 지구 주위에 있는 것처럼, 한쪽이 항성을 영구히 마주 보고 있는 동주기 자전(Tidally Locked)이 일어나기도 한다.

금성 같은 느린 회전체는 일반적으로 시원하고 쾌적한 기후를 유지하는 데 어려움을 겪는다. 그리고 한동안 이런 이유 때문에 금성이 뜨겁고 견딜 수 없게 되었을 것이라고 추측했다. 태양 광선은 금성에 열을 잔뜩 가했고, 수증기가 가득한 대기는 금성 표면에 액체로 응축되지 않았다. 한편, 공기 중의 이산화탄소, 물, 아황산가스는 열을 모두 가두는 온실가스 역할을 했다. 그리고 40억년 동안 계속 그런 상태가 유지되었다고 한다.

최근 NASA 고다드 우주연구소(Goddard Institute for Space Studies)의 마이클 웨이(Michael Way)와 연구원들이 개발한 새로운 이론이 있다. 이 모델은 이 행성들의 기후를 조금만 바꾸면, 모항성을 향한 반구형 구름 형태를 만들 수 있다는 것을 보여주는데, 이 구름은 많은 항성 열을 반사한다. 그 결과, 금성 같은 행성은 온화한 기후를 유지하고, 대기 중의 수증기는 표면에서 액체(Liquid Ocean)로 응축된다. 웨이의 연구는 일단 이 지점에 도달한 후, 판구조론(Plate Tectonics: 대기중의 이산화탄소 제거에 유용) 활동 등 지구와 같은 과정들이 온실가스 생성을 완화하는 한, 행성은 스스로 온도 조절이 가능함을 보여준다. 

이 가설은 복잡하며, 주의해야 할 점이 많다. 만약 느린 회전체가 거주가능한 조건을 형성할 수 있음을 보여주는 증거가 금성이라면, 금성은 또한 이 조건이 취약하고 덧없다는 증거이기도 하다. 웨이의 모델을 믿는 사람들은 금성에서 엄청난 화산 활동이 일어나 탄소로 가득 차게 되었고 대기의 96%가 이산화탄소로 바뀜으로써, 판구조론 활동이 일어나지 않는다고 생각한다.

그럼에도 불구하고, 이 가설은 다빈치+와 베리타스를 통해 실험할 가치가 있다. 아르니가 지적한 바와 같이, 잠재적으로 거주가능한 외계행성 중 대부분은 질량이 낮은 별 주위를 도는 느린 회전체이기 때문이다. 이 별들은 빛이 약하기 때문에, 행성들은 보통 액체 상태의 물이 형성될 수 있는 충분한 열을 받기 위해 가까이에서 공전해야 한다. 만약 행성들이 반구형 구름을 형성한다면, 거주가능한 기후가 보존될 수 있을지도 모른다. 현재 이 가설이 타당한지 알아볼 수 있는 유일한 방법은 먼저 금성에서 이런 일이 일어났는지 확인하는 것이다.

그러나 웨이의 모델을 다른 외계행성에 적용하기 전에, 우리는 이 모델이 금성에 대해 설명할 수 있는지 판단해야 한다. 다빈치+는 금성에 착륙하여 대기의 화학 물질과 구성을 직접 조사할 뿐만 아니라, 표면도 이미지화할 예정이다. 다빈치+는 금성에 실제로 초기에 물이 있었는지, 금성의 기후에 대해 더 구체적으로 파악하고, 반구에 걸친 구름이 실제로 형성 가능한지에 대한 정보를 수집할 수 있어야 한다.

베리타스 탐사선은 물의 흐름이나 과거 판구조론 활동으로 형성된 지형이나 지세의 증거를 포착할 수 있는 레이더 관측을 통해 고해상도 이미지를 촬영하면서 금성의 지질을 조사할 예정이다. 가장 흥미로운 관측 대상은 테세라(Tessera)인데, 테세라는 심하게 변형된 고지대로 금성에서 가장 오래된 지질학적 특징을 보인다. 만약 베리타스가 금성에 바다가 있었다는 증거(또는 오래 전 금성의 온도를 온화하게 했던 지질 활동)를 포착한다면, 이것은 느리게 회전하는 다른 외계행성도 금성과 똑같은 조건을 형성할 수도 있다는 생각을 뒷받침할 것이다.

베리타스 임무를 수행 중인 존스홉킨스 응용물리학 연구소(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)의 행성학자 로렌 조즈윅(Lauren Jozwiak)은 다음과 같이 주장한다. “다빈치+와 베리타스가 함께 가면 상호 보완적인 중차대한 임무를 수행하게 되는 셈이다. 지리학적 매핑과 대기권 조사는 금성 탐사의 핵심이었다.”

금성이 항상 거주 불가능한 곳이었다면, 그 이유는 아마도 태양과 가까웠기 때문이었을 것이다. 그래서 항성과 비교적 가까운 곳에 있는 비슷한 크기의 외계행성은 아마도 금성과 비슷할 것이다. 그러니 우리는 그들의 별에서 더 멀리 떨어져 있는 외계행성 연구에 주력하는 것이 좋을 것이다.

만약 금성이 강렬한 열을 내뿜는 곳으로 변하기 전에 선선한 기간이 있었다면, 우리는 ‘금성 지대(Venus-zone)’에서 발견되는 외계행성을 진지하게 고려해봐야 한다. 왜냐하면 이 행성들이 아직 거주가능할 수도 있기 때문이다. 이것은 또한 판구조론이나 화산 활동 같은 요소가 거주가능한 조건을 조정하는데 중요한 역할을 한다는 것을 시사하며, 우리는 먼 외계행성에서도 이런 활동이 일어나는지 연구하는 방법을 찾아야 한다.

우리가 다빈치+와 베리타스 임무를 통해 어떤 결과를 얻을 수 있는지 더 많이 생각할 수록, 금성 탐사 자체가 얼마나 가슴 뛰는 일인지는 과소평가 되는 것 같다. 조즈윅은 차기 임무로 “금성과 행성 형성에 대한 생각이 전반적으로 완전히 바뀔 것”이라고 주장한다. “금성이 ‘과거에 지구 같았고 미래에 지구 같을지’ 알아내는 것은 신나는 일이다.”

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