우주에는 지구와 똑같은 행성이 있을까?

1.1 개요

인류가 우주를 바라보며 품어온 가장 근본적인 의문 중 하나는 '우주에 우리와 똑같은 지구가 또 존재할 것인가'에 대한 질문이다. 현대 천문학과 외계행성학의 관점에서 결론부터 말하자면, 분자 단위까지 똑같은 '지구의 복사그루'가 존재할 확률은 사실상 없다고 보아야 한다. 그러나 생명체가 살아갈 수 있는 조건을 갖춘 '지구 유사 행성'의 관점으로 질문을 바꾼다면, 답은 '반드시 존재한다'에 가까워진다. 관측 가능한 우주에만 수천억 개의 은하가 있고, 각 은하마다 수천억 개의 별이 존재하는 만큼, 확률의 법칙에 의해 지구와 환경이 흡사한 행성은 우주에 널려있기 때문이다.

1.2 지구의 유일성: 완벽히 똑같은 행성이 불가능한 이유

지구가 형성되고 지금의 생태계를 갖추기까지는 그야말로 기적에 가까운 우연들이 겹겹이 쌓인 결과다. 우주 어딘가에 지구와 질량과 크기가 같은 행성이 존재할 수는 있다. 하지만 지구와 완전히 똑같은 행성이 되려면 다음과 같은 조건이 100% 일치해야 한다.

우선 항성과의 거리와 항성의 종류가 같아야 하며, 행성의 자전주기와 공전주기는 물론 자전축의 기울기까지 동일해야 한다. 여기에 태양계의 목성처럼 외부의 운석 충돌을 막아주는 대형 가스 행성의 존재, 행성 내부에 적당한 양의 방사성 원소가 존재하여 융암 외핵이 만드는 강력한 자기장이 유지되어야 한다는 점도 필수적이다.^{[1]목성은 거대한 질량과 강력한 중력으로 태양계 내부로 진입하는 소행성이나 혜성을 끌어당겨 지구를 보호하는 방패 역할을 해 왔으며, 천문학계에서는 이를 '목성 방패(Jupiter shield)' 가설로 부른다.} 결정적으로 달과 같은 적절한 크기의 위성이 존재하여 삼각파를 막고 기후를 안정시켜야 한다.

무엇보다 지형의 배치, 대기 성분의 미세한 비율, 결정적으로 생명체의 진화 역사는 칭호 그대로 '혼돈계(Chaos)'의 영역이다. 초기 지구에 운석 하나가 더 떨어졌거나 덜 떨어졌더라도 지금의 지구 모습은 완성되지 않았다. 따라서 우주 어디선가 또 다른 지구를 찾는다 해도, 그곳은 지구의 '동명이인' 수준일 뿐 완전히 동일한 행성일 수는 없다.

1.3 골디락스 존과 지구 유사 행성

천문학자들은 '똑같은 지구' 대신 '생명체 서식 가능 행성(Habitable Planet)'을 찾는 데 집중하고 있다. 이를 판가름하는 가장 핵심적인 개념이 바로 '골디락스 존(Goldilocks Zone)', 즉 항성 주위의 생물권 서식 가능 지대다.^{[2]'골디락스(Goldilocks)'라는 명칭은 영국 동화 《골디락스와 세 마리 곰》에서 주인공 소녀가 너무 뜨겁지도 차갑지도 않은 적당한 온도의 죽을 선택한 일화에서 유래했다.}

중심 항성과 너무 가깝지도, 너무 멀지도 않아 행성의 표면에 '액체 상태의 물'이 존재할 수 있는 기온이 유지되는 영역을 의미한다. 지각이 딱딱한 암석형 행성이면서 골디락스 존에 위치해야만 우리가 아는 형태의 생명체가 탄생하고 번성할 수 있다.

케플러 우주 망원경과 제임스 웹 우주 망원경의 관측 결과에 따르면, 우리 은하에만 이러한 지구 유사 행성이 최소 수십억 개 이상 존재하는 것으로 추정된다. 즉, 완벽히 똑같은 지구는 없을지언정 지구처럼 푸르고 물이 흐르는 행성은 우주에 지천으로 깔려 있다는 뜻이다.

1.4 대표적인 지구의 '쌍둥이' 후보들

현재까지 인류가 찾아낸 외계행성 중 지구와 가장 유사하다고 평가받는 대표적인 행성들은 다음과 같다.

• 케플러-452b: '지구 2.0'이라는 별칭으로 유명한 행성이다. 태양과 매우 유사한 G형 주계열성을 385일 주기로 공전하고 있으며, 지구보다 크기가 약간 크지만 골디락스 존 한가운데 위치해 있다. 지구의 미래 모습을 보여주는 행성으로 주목받는다.
• 프록시마 센타우리 b: 지구에서 가장 가까운 항성계인 프록시마 센타우리(약 4.2광년 거리)에 위치한 행성이다. 지구 질량의 1.17배로 크기는 매우 유사하나, 중심 항성이 적색왜성이라 강력한 방사선 폭풍을 견뎌내야 생명체가 살 수 있다는 한계가 있다.
• TRAPPIST-1 시스템: 단 하나의 적색왜성 주위를 7개의 암석형 행성이 돌고 있는 기이한 계다.^{[3]https://www.eso.org/public/news/eso1706 — TRAPPIST-1 시스템의 이름은 이 항성계를 처음 발견한 벨기에 루뱅 가톨릭 대학교의 탐사 망원경 'TRAPPIST'에서 따왔으며, 이는 벨기에의 유명 펍과 트라피스트 맥주 이름과도 같다.} 이 중 무려 3개의 행성(e, f, g)이 생물권 서식 가능 지대에 몰려 있어, 지구와 유사한 환경을 가졌을 가능성이 매우 높게 점쳐진다.

1.5 결론

우주에 나와 세포 하나까지 똑같은 '도플갱어 지구'는 존재하지 않는다. 지구라는 행성은 우주 역사 138억 년 동안 일어난 수없이 많은 우연과 물리 법칙이 엮어낸 단 하나뿐인 예술품이기 때문이다.

하지만 지구처럼 파란 하늘과 넓은 바다를 품고, 누군가가 하늘을 올려다보며 밤하늘을 감상하고 있을 '또 다른 삶의 터전'은 우주에 무수히 많이 존재한다. 인류가 찾는 것은 지구의 완벽한 복사본이 아니라, 우주라는 거대한 무대에서 외롭지 않게 함께 살아갈 또 다른 생명의 요람일 것이다.

2.1 제2의 지구 후보 '케플러-452b'와 거리의 장벽

외계 행성 탐사의 획기적 전환점이었던 '케플러-452b'는 지름이 지구의 약 1.6배이며, 태양과 매우 유사한 항성 주위를 지구와 비슷한 주기(385일)로 공회전한다. 대기와 물의 존재 가능성이 높아 '지구의 사촌'으로 불리지만, 지구로부터의 거리가 약 1,400광년에 달한다. 현재 인류가 보유한 가장 빠른 탐사선인 파커 태양 탐사선(최고 시속 약 70만km)의 속도로 이동하더라도 도달하는 데에만 약 220만 년 이상이 소요된다.^{[4]파커 태양 탐사선은 태양의 강력한 중력을 이용해 속도를 가속하는 방식으로 인류가 만든 피조물 중 가장 빠른 최고 속도 기록을 계속해서 경신하고 있다.}

2.2 붉은 태양과 보라색 식물

우주에 존재하는 항성의 약 75%는 태양보다 크기가 작고 온도가 낮은 '적색왜성'이다. 따라서 지구형 행성의 상당수는 적색왜성을 모항성으로 가질 확률이 높다. 적색왜성계의 행성에 생명체가 존재한다면, 식물은 지구처럼 녹색이 아닌 보라색이나 검은색을 띨 가능성이 크다. 적색왜성이 방출하는 주된 빛의 영역대인 가시광선 영역의 적색광과 적외선을 최대한 흡수하기 위해 광합성 색소가 진화해야 하기 때문이다.

2.3 조석 고정과 영원한 낮과 밤

지구와 비슷한 환경의 행성이 적색왜성 주변을 돌 경우, 골디락스 존(생명체 서식 가능 지대)이 모항성과 매우 가까워진다. 이로 인해 강한 중력 영향으로 행성의 자전 주기와 공전 주기가 같아지는 '조석 고정(Tidal Locking)' 현상이 발생한다. 즉, 행성의 한쪽 면은 영원한 낮이 계속되어 불타오르고, 반대쪽 면은 영원한 밤이 이어져 빙하로 덮이게 된다. 생명체가 살 수 있는 구역은 낮과 밤의 경계선인 '황혼 지대(Terminator Zone)'라는 띠 모양의 영역으로 제한된다.

2.4 우주적 도플갱어의 확률론적 존재 가능성

양자역학과 다중우주론적 관점을 제외하고, 우리가 관측 가능한 우주(약 930억 광년) 내에서만 계산하더라도 무한에 가까운 공간과 입자의 배치 조합이 존재한다. 물리학자 맥스 테그마크(Max Tegmark)의 계산에 따르면, 통계적으로 지구와 원자 배치 수준까지 완벽히 동일한 환경을 가진 행성은 최소 $10^{10^{29}}$미터 떨어진 곳에 반드시 존재해야 한다.^{[5]https://arxiv.org/abs/astro-ph/0302131 — MIT의 물리학자 맥스 테그마크는 우주가 무한하다면 가능한 모든 입자 배열이 반복될 수밖에 없다는 통계물리학적 계산을 바탕으로 $10^{10^{29}}$m 너머에 동일한 분신이 존재한다고 주장했다.} 이는 단순한 '유사 지구'를 넘어, 지금 이 글을 읽고 있는 독자 자신과 완벽히 똑같은 존재가 살고 있는 행성이 우주 어딘가에 존재함을 수학적으로 시사한다.