대기의 계절은 외계 생명체의 신호일 수 있습니다

수십 개의 잠재적으로 거주 가능한 행성이 우리 태양계 외부에서 발견되었으며 더 많은 행성이 탐지를 기다리고 있습니다.

거기 누구라도 있나요?

직접 방문할 수 없는 이 장소에서의 생명 사냥은 대기권에서 생물학적 생성물을 찾는 것부터 시작됩니다. 생체특징이라고 불리는 이러한 대기의 생명체 지문은 몇 광년 떨어진 행성 주변의 가스 구성을 측정하는 차세대 망원경을 사용하여 감지될 것입니다.

대기 가스의 단일 측정을 기반으로 한 생체특징은 오해의 소지가 있을 수 있기 때문에 까다로운 사업입니다. 이러한 마커를 보완하기 위해 NASA 우주생물학 연구소의 자금 지원 덕분에 캘리포니아 대학교 리버사이드의 대체 지구 우주생물학 센터의 과학자들은 지구 대기의 계절적 변화를 기반으로 하는 동적 생체특징을 위한 최초의 정량적 프레임워크를 개발하고 있습니다.

이 연구를 설명하는 논문은 "외계행성 생체특징으로서의 대기 계절성"이라는 제목으로 오늘 Asphysical Journal Letters에 게재되었습니다. 주저자는 UCR 지구과학과 대학원생인 Stephanie Olson입니다.

지구가 태양 주위를 공전함에 따라 기울어진 축은 서로 다른 지역이 연중 서로 다른 시기에 더 많은 광선을 받는다는 것을 의미합니다. 이 현상의 가장 눈에 띄는 징후는 날씨와 낮의 길이 변화이지만, 대기 구성도 영향을 받습니다. 예를 들어, 세계의 대부분의 식물이 살고 있는 북반구에서는 여름에 식물이 자라면서 대기 중 이산화탄소 농도가 눈에 띄게 낮아집니다. 산소의 경우에는 그 반대입니다.

“대기의 계절성은 지구상에서 생물학적으로 조절되고 사람이 거주하는 다른 세계에서도 발생할 가능성이 높기 때문에 유망한 생체특징입니다.”라고 Olson은 말했습니다. “계절성을 기반으로 생명을 추론하는 데에는 외계 생화학에 대한 자세한 이해가 필요하지 않습니다. 왜냐하면 외계 생화학은 지구 고유의 특정 생물학적 활동의 결과가 아니라 환경의 계절적 변화에 대한 생물학적 반응으로 발생하기 때문입니다.” 또한 축 기울기가 아닌 극도의 타원형 궤도는 외계 행성 또는 외계 행성에 계절성을 부여하여 가능한 목표 범위를 확장할 수 있습니다.

논문에서 연구자들은 계절에 따른 산소, 이산화탄소, 메탄의 형성과 파괴를 특성화하고 분광학이라는 이미징 기술을 사용하여 이를 감지하는 것과 관련된 기회와 함정을 식별합니다. 그들은 또한 수십억 년 전 지구와 같이 산소 함량이 낮은 생명이 존재하는 행성에서 대기 산소의 변동을 모델링했습니다. 그들은 생명체에 의해 생성된 산소 가스(O3)와 관련된 반응을 통해 대기에서 생성되는 오존(O2)이 산소가 약한 행성에서 O2 자체보다 산소의 계절적 변동성을 더 쉽게 측정할 수 있는 지표가 될 것임을 발견했습니다.

UCR의 NASA 박사후 과정 펠로우인 Edward Schwieterman은 "지금 이러한 종류의 시나리오를 정확하게 모델링하는 것이 매우 중요합니다. 그래야 미래의 우주 및 지상 망원경이 가장 유망한 생체 특징을 식별하도록 설계될 수 있습니다"라고 말했습니다. "오존의 경우 쉽게 감지할 수 있는 자외선 기능을 갖춘 망원경이 필요합니다."

Schwieterman은 생명체 탐색의 어려움은 지금까지 수집된 데이터의 모호함이라고 말했습니다. 위양성(생명으로 가장하는 비생물학적 과정)과 위음성(생체특징이 거의 또는 전혀 생성되지 않는 행성의 생명체)은 모두 주요 관심사입니다.

Schwieterman은 “산소와 메탄 모두 유망한 생체 특징이지만 생명 없이도 생산될 수 있는 방법이 있습니다.”라고 말했습니다.

Olson은 산소나 메탄의 계절적 변화를 관찰하는 것이 더 유익할 것이라고 말했습니다.

“외계 행성의 거주 가능성을 평가하는 잠재적으로 강력한 방법은 궤도 전체에 걸쳐 대기를 관찰하여 1년 동안 이러한 생체 특징 가스의 변화를 감지할 수 있는지 확인하는 것입니다.”라고 그녀는 말했습니다. “어떤 상황에서는 그러한 변화가 생명체 없이는 설명하기 어려울 수 있으며, 심지어 외계 행성의 생명체를 단순히 인식하는 것이 아니라 특징을 파악하는 방향으로 진전을 이룰 수도 있습니다.”

UCR 지구과학과 생지화학 교수이자 대체지구 우주생물학 센터 소장인 티모시 라이언스(Timothy Lyons)는 이번 연구가 아주 먼 행성에서 생명체를 찾는 근본적인 접근 방식을 발전시켰다고 말했습니다.

Lyons는 “우리는 초기 지구에서 발견할 것으로 예상되는 낮은 수준의 산소 변동을 특성화할 수 있다는 전망에 특히 기대하고 있습니다.”라고 말했습니다. "오존에 의해 밝혀진 계절적 변화는 수십억 년 전 지구와 같은 행성에서 가장 쉽게 감지될 수 있습니다. 당시 대부분의 생명체는 여전히 미세한 해양 생물이었습니다."