물기둥 관측된 유로파·엔셀라두스… 지구 생명체 탄생 환경 빼닮아

지난해 11월 미국항공우주국(NASA)은 탐사선 뉴허라이즌스가 전송한 자료를 토대로 태양계 외곽의 명왕성에 슬러시나 진창 같은 바다가 존재할 수 있다고 발표했다. NASA가 바다가 있다고 지목한 곳은 명왕성 사진에서 하트 모양이 선명한 '스푸트니크 평원'의 지하이다. 명왕성의 심장 아래에 바다가 흐르고 있었던 것이다.

태양계의 끝자락에 있는 명왕성은 2006년 국제천문연맹으로부터 행성 지위를 박탈당하고 왜행성(矮行星)으로 강등됐다. 모양이 길쭉한 데다 행성처럼 태양을 돌면서도, 다른 행성 등의 영향을 받아 궤도가 불안정하기 때문이다. 명왕성은 가장 큰 위성인 카론과 서로 주위를 돈다.

그래픽=양인성 기자

NASA 과학자들은 스푸트니크 평원이 늘 카론의 정반대 위치에 있다는 데 주목했다. 스프투니크 평원 쪽에 뭔가 무게가 더 나가는 게 있어야 항상 맨 바깥쪽을 향할 수 있다. 과학자들은 지하의 슬러시 바다가 바로 추가된 무게라고 봤다. 명왕성 지하에는 물을 얼지 않게 하는 암모니아도 들어 있을 것으로 추정된다.

태양계의 숨겨진 바다가 속속 드러나고 있다. 바다는 생명의 근원이다. 과학자들은 지상 관측과 우주탐사선이 보내온 데이터를 토대로 태양계의 바다, '오션 월드(ocean world)'들을 찾아냈다. 목성과 토성의 위성에서부터 화성과 목성 사이 소행성대, 그리고 저 멀리 명왕성에 이르기까지 가지각색의 오션 월드들이 드러났다.

◇바다는 외계 생명체의 필수조건

과학자들이 먼 우주에서 바다를 찾는 것은 액체 상태의 물이 있어야 생명체가 가능하기 때문이다. 물은 수많은 물질을 녹이는 최고의 용매(溶媒)여서 생명체에 필요한 물질들을 제공할 수 있다. 또 물은 비열, 즉 물 1g을 1도 높이는 데 필요한 열량이 다른 물질보다 크다. 덕분에 생명체를 더위와 추위로부터 보호할 수 있다. 물을 구성하는 산소와 수소는 에너지 흐름을 만들어내고 생명체의 뼈대가 되기도 한다.

최근 주목받은 또 다른 태양계의 바다는 화성과 목성 사이 소행성대에 있는 왜행성인 세레스에 있다. 지난해 12월 미국 행성과학연구소는 국제학술지 '사이언스'에 NASA 탐사선 돈의 관측데이터를 통해 세레스의 표면 구멍마다 얼음이 가득 차 있음을 확인했다고 발표했다. 얼음은 북극 지역에 몰려 있었다. 독일 막스플랑크연구소 과학자들도 같은 달 국제학술지 '네이처'에 세레스의 분화구에서 밝게 빛나는 부분이 얼음 때문이라고 밝혔다.

과학자들은 세레스의 얼음에는 소금 성분이 섞여 있다고 본다. 이것은 과거 세레스의 지하 바다에서 솟아난 것으로 추정된다. 세레스에 있다고 추정되는 탄산나트륨과 같은 소금 성분은 지구에서 심해저 화산지대의 고온 환경에서 생성된다. 그러므로 세레스에도 역동적인 지하 바다가 있었다고 볼 수 있다.

목성의 위성 유로파에서 얼음으로 덮인 지표면을 뚫고 뿜어져 나오는 물기둥 상상도 / NASA

◇목성과 토성 위성의 바다가 가장 유력

하지만 뭐니뭐니해도 태양계 최고의 오션 월드 후보는 목성의 위성 유로파와 토성의 위성 엔셀라두스다. 다른 곳에서처럼 슬러시나 얼음 상태의 물이 아니라 생명체가 탄생하기에 충분한 온도의 바다가 있을 것으로 추정되기 때문이다.

지난해 9월 NASA 과학자들은 허블우주망원경으로 유로파의 남극 근처에서 물기둥으로 추정되는 물체가 최대 200㎞까지 치솟는 장면을 포착했다. NASA는 2012년에도 높이 160㎞의 물기둥을 관측했다.

1990년대 목성 탐사선 갈릴레오는 유로파를 지나면서 자기력이 변하는 것을 확인했다. 전기가 통하는 액체가 있어야 자기력이 달라진다. 이를 근거로 과학자들은 유로파 지하에 수심 100km의 소금기를 띤 바다가 있다고 추정했다, 소금물은 전기가 잘 통한다. 지난해 관측한 물기둥은 여기서 뿜어져 나왔다고 볼 수 있다.

토성의 위성 엔셀라두스에서도 물기둥이 관측됐다. 미국과 유럽의 공동 탐사선 카시니호는 2005년 엔셀라두스 남극에서 물기둥들이 솟아오르는 모습을 관측했다. 과학자들은 자기력과 중력 관측 데이터를 토대로 엔셀라두스 지하 40㎞에 최대 수심 10㎞의 바다가 있을 것으로 추정됐다. 물기둥에서 염분과 유기물도 확인했다.

유로파와 엔셀라두스는 태양계에서 생명체가 있을 가능성이 가장 큰 곳이다. 지구에서 생명체가 탄생한 심해저(深海底)와 흡사한 환경이기 때문이다. 1970년대 해양학자들은 심해저 화산지대에서 뜨거운 물이 분출되는 열수분출구(熱水噴出口)를 발견했다. 햇빛도 들지 않는 곳이지만 그곳에는 다양한 생명체가 살고 있었다. 과학자들은 지구 초기에 이런 곳에서 생명체가 탄생했을 것으로 본다.

◇2020년대 물기둥 직접 채취 목표

유로파와 엔셀라두스는 각각 목성과 토성이 당기는 힘 때문에 내부에 상당한 마찰열이 발생한다. 이로 인해 지하에는 심해열수구와 같은 바다가 있을 가능성이 크다는 것이다. 실제로 2015년 미국과 독일 과학자들은 엔셀라두스의 물기둥에서 해저 온천에서 생성됐을 것으로 보이는 규산염 성분을 발견했다고 밝혔다. 연구진은 규산염의 입자 크기로 볼 때 섭씨 90도 이상의 물이 암석과 만났을 때 생성됐을 것이라고 추정했다.

미국과 유럽은 2022년에 유로파에 각각 탐사선을 보내기로 했다. NASA 탐사선은 유로파 표면 26㎞ 상공까지 접근해 고해상도 사진을 찍고 화학 성분을 분석할 예정이다. 운이 좋으면 마침 분출한 물기둥을 만나 시료를 채취할 수도 있다. 유럽우주기구(ESA)의 탐사선은 물기둥이 솟구치면 바로 그쪽으로 이동할 계획이다.

취해 지구로 돌아오는 프로젝트도 제안됐다. 그전에 카시니호로 사전 탐사를 할 수 있다. 바로 수소를 찾는 것이다. NASA 에임스연구소의 우주생물학자인 크리스 매케이 박사는 “수소는 미생물의 초콜릿 칩 쿠키와 같다”고 수소 탐사의 의미를 설명했다.

세포막을 오가면서 에너지 흐름이 발생한다. 또 수소는 탄소화합물과 결합해 미생물의 먹이가 되는 메탄과 유기물질도 만든다. 산성도(pH)의 변화도 본질적으로 양성자의 농도 차이로 결정된다. 카시니호는 아미노산 같은 큰 물질은 탐색하지 못하지만 수소 같은 작은 분자는 찾을 수 있다. 이미 지난해 엔셀라두스에서 수소의 흔적을 찾았다.

◇태양계 곳곳에 숨은 오션 월드들

지구는 표면의 71%가 바다이다. 하지만 바닷물의 양은 그리 많지 않다. 지구 반지름이 6371㎞인데 지구의 물을 공으로 따지면 반지름이 690㎞에 지나지 않는다. 유로파는 반지름이 지구보다 훨씬 작은 1564㎞이지만 거기에 담긴 물공은 반지름이 880㎞로 훨씬 크다. 양으로 따지면 두 배나 된다.

다른 곳에도 더 많은 물이 숨어 있다. 목성의 위성 가니메데와 토성의 위성 타이탄은 각각 물공의 반지름이 2350㎞, 1890㎞나 된다. 가니메데는 태양계에서 가장 큰 위성이다. 수성보다 크다. 얼음과 지하 바다가 샌드위치처럼 번갈아 가며 층을 이루고 있을 것으로 추정된다. 최근에는 오로라 활동을 볼 때 바다가 따듯하고 염분을 띠고 있을 가능성도 제기됐다.

토성의 위성 타이탄에는 지표를 덮은 얼음층 아래 50㎞에 지구의 사해(死海) 같은 염분이 강한 바다가 있을 것으로 추정된다. 한국천문연구원 서행자 박사는 “타이탄은 여러 면에서 지구와 닮았다”고 말했다. 지구와 표면 기압이 비슷하고 지구 대기의 수증기와 같은 역할을 하는 메탄이 대기 전반에 분포하고 있다는 것. 메탄과 탄화수소로 채워진 호수도 확인됐다. 과학자들은 타이탄에서도 생명체가 탄생할 가능성을 제기했다. 2015년 미국 코넬대 연구진은 타이탄의 환경에 맞춰 그곳에 있는 물질로 세포막과 비슷한 구조를 만들었다.

목성의 위성 칼리스토와 해왕성의 위성 트리톤도 물공의 반지름이 1800㎞와 1170㎞나 된다. 칼리스토는 분화구가 나있는 지표 아래에 200㎞ 두께의 얼음층이 있고, 그 아래에 10㎞ 깊이의 바다가 있을 가능성이 제기된다. 트리톤은 간헐천이 지상으로 질소 가스를 내뿜어 지각활동이 활발한 천체로 추정된다.

태양계의 바다는 우주 탐사의 보급선이기도 하다. 한국천문연구원 최영준 박사는 “물은 우주인의 생활용수이자 로켓의 추진제와 산화제를 만들 수도 있다”며 “태양계 다른 행성이나 위성에서 이렇게 중요한 물자를 현지 조달할 수 있다면 우주 탐사의 효율이 훨씬 높아질 것”이라고 말했다. 그 옛날 신대륙을 찾아 먼 바다로 나간 사람들이 오늘날 문명을 낳았다. 태양계 오션 월드를 찾는 우주 탐사도 미래 인류 문명에 새로운 지평을 열어주지 않을까.

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