1. 가장 원초적인 질문 : 모든 우주에는 같은 물리 법칙이 적용될까?

아마도 학자들은 그렇게 생각하는 것 같습니다.

예를들어 뉴턴의 만유인력법칙은 거리의 제곱에 반비례 하는데 우리 은하에서도 그렇고 안드로메다 은하에서도 그렇고 지구에서 100억 광년 떨어진 어떤 은하에서도 아마 그렇게 적용될 것입니다.

이게 성립하지 않는다면 모든 논의가 의미가 없어집니다. 상상의 영역일 뿐이죠. 우리는 현재 3차원에 살고 있습니다.

3차원에서 뉴턴의 만유인력법칙은 거리의 제곱에 반비례하게 되는데요. 그 이유는 힘을 전달하는 매개체가 중심에서 3차원 방향으로 일정하게 퍼지기 때문입니다.

만약 태양에서 발생하는 에너지의 총량을 계산한다면 지구궤도를 반지름으로 하는 가상의 구를 생각하고 구의 표면적을 계산한 다음 지구의 단면적에 받는 에너지를 기준으로 계산하면 됩니다.

아마 고등학교때 배웠을텐데요. 이렇게 거리가 2배가 되면 구의 표면적이 4배가 될테니까 빛의세기는 거리의 제곱에 반비례하게 됩니다.

중력도 빛과 마찬가지라 3차원에서는 중력이나 전자기력이 역제곱법칙이 성립하는데 2차원이면 어떻게 될까요? 이번에는 가상의 구가 아니라 가상의 원이되겠죠.

그리고 표면적이 아니라 호의 길이가 될테구요. 길이는 거리에 비례하므로 거리가 두배가 된다면 호의 길이도 두배가 될테고 힘은 두배로 줄어듭니다.

따라서 힘은 거리에 반비례하겠네요. 즉 차원이 하나 줄면 힘은 거리의 승수가 하나 늘어나게 됩니다. 차원이 늘어나면 거리의 승수가 하나 줄어들구요.

즉 4차원의 세계에서는 거리의 세제곱에 반비례하게 될테고 1차원의 세계에서는 거리에 상관없이 일정한 힘이 작용할 것입니다.

만약 0차원이라면요? 차수가 하나씩 커지고 있기 때문에 거리에 비례하는 힘이 생길 것입니다. 이게 뭔 얘기냐 하시겠지만 실제 자연계에는 거리에 비례하는 힘이 있습니다.

바로 강한 핵력이 그런데요. 강력이란 원자핵 내부에서 작용하는 힘으로 양성자와 양성자 혹은 중성자를 끌어당기는 힘입니다.

양성자끼리는 +전하를 가지고 있어서 서로 밀어내려고 할텐데 이것을 묶어주는 힘이 필요하고 그래야 원자핵은 붕괴하지 않고 안정적으로 존재할 수 있을텐데요.

바로 이 힘을 강력이라고 부릅니다. 거리가 멀어지면 강력이 커져서 원자핵을 묶어줍니다. 가까우면 전자기력이 커질테니까 서로 밀어내려고 할테구요.

적절한 지점에서 원자핵의 크기가 유지됩니다. 원자핵 내부에서는 마치 차원이 없는 것처럼 입자들이 행동하는데요. 이거 밝히면 아마도 노벨물리학상은 따논 당상일것입니다.

어째든 결론은 현재 3차원 세계가 아니라면 원자구조자체가 성립될수 없을지도 모르고 만약에 그런 세계가 존재하더라도 우리와는 전혀 다른 물리법칙이 적용되므로 상상 밖의 영역입니다.

우리가 서로를 인지할 수 있다는 얘기는 힘이 작용한다는 말, 즉 중력을 느끼거나 전자기력(빛)을 느낄수 있어야 하는데

우리와 물리법칙이 다른 세계는 서로 상호작용하지 않는다는 얘기와 같기 때문에 서로 인지가 불가능합니다. 그런 세계가 존재하는지도 현재는 의문이구요.


우주는 처음 빅뱅으로부터 시작되었죠. 태초에는 에너지만 존재했으며 에너지가 질량으로 바뀌면서 여러입자들이 생성되었고 그것이 널리 퍼져서 현재의 우주가 완성되었습니다.

우주배경복사나 여러가지 증거들로 현재는 거의 이견이 없는 이론입니다. 이 이론에 의하면 현재 우주를 구성하고 있는 물질은 수소 약 75% 헬륨 25% 그리고 나머지 기타 소량의 물질들로

이루어져 있는데요. 실제 별들을 관측해보면 잘 들어 맞습니다. 어떤 항성 어떤 은하도 예외는 없습니다. 결국 우리가 알고 있는 혹은 관찰 가능한 우주는 우리와 동일한 물리법칙을 가지고 있습니다.


2. 외계생명체가 있는 은하도 결국은 우리와 같은 구성 물질로 이루어져 있을까?

고등학교 때 주기율표를 배우죠. 수소부터 시작해서 헬륨 리튬 베릴륨 붕소 탄소 질소 산소 등등 대략 20번까지 외웠던 기억이 나는데요. 우주에 이런 구성물질의 존재비율은 매우 일정합니다.

[그림] 우주원소존재비

그림은 우주에 현재 존재하고 있는 원소의 비율을 나타낸 것입니다. 세로축은 로그 스케일이라 실제 눈금 1 차이는 10배 차이입니다.

즉 수소와 헬륨 두가지 원소가 99% 이상이라는 얘기죠. 빅뱅 당시는 수소와 헬륨만 생성되었고(물론 아주 소량의 리튬,베릴륨도 생성되었을 가능성이 있다고 합니다.)

철(Fe)까지는 항성의 내부에서 핵융합 반응의 부산물로 생성되었습니다. 철 이후의 원소들은 초신성이 폭발할때 생성되었구요. 기본적으로 원자번호가 크면 클수록 비율이 작아집니다.

핵융합으로 만들어지기 어려우니까요. 예외라면 원자번호 3,4,5번인 리튬, 베릴륨, 붕소인데 헬륨이 핵융합 반응을 하면 삼중알파과정이라고 헬륨 3개가 탄소원자가 되는 반응입니다.

따라서 3,4,5는 건너 뛰기 때문에 양이 적은 것이구요. 또 원자번호가 홀수보다는 짝수인 경우가 비율이 높은데 이것은 홀수인 경우보다 짝수인 경우가 결합에너지가 커서 안정적이기 때문에

상대적으로많은 것이라고 하네요. 몇몇 예외를 제외하면 원자번호가 커지면 커질수록 존재하는 비율이 줄어듭니다. 이것은 태양계 뿐만 아니라 우주 전체가 마찬가지라고 생각됩니다.

물론 우주에 따라 금속(천문학에서 금속이란 수소와 헬륨을 제외한 모든 물질을 의미합니다.) 의 비율은 약간 다른데 태양계의 경우 수소 74% 헬륨 25% 기타 1% 정로로 구성되어 있고

다른 항성을 조사해보면 금속의 비율이 태양 구성비율의 ±1% 미만으로 매우 일정한 것을 알 수 있습니다. 즉 외계생명체가 있는 어떤 은하의 구성비율을 조사해보면 우리랑 비슷하다는 얘기죠.

만약 그쪽에도 지적생명체가 있어 주기율표를 만들었다면 우리와 동일할 것입니다.


3. 탄소기반의 생명체여야 하는가?

생명체에서 가장 중요한 것은 우리가 신진대사라 부르는 화학반응입니다. 이 화학반응이 적절하게 일어나 생명을 유지시켜야 하겠죠.

외계생명체가 있다면 그들 역시 우리와 같은 주기율표 상의 원소로 이루어져 있을테구요.

화학반응으로 생명을 유지하기 위해서는 여러가지 조건이 필요한데 우선 화합물의 종류가 많아야 하겠죠. 그리고 분자간의 결합이 너무 강하지도 약하지도 않은 적당한 상태의 물질이어야합니다.

주기율표 상에서 이런 물질의 찾아보니 탄소가 가장 적절합니다. 탄소는 최외곽전자가 4개라 거의 무한대에 가까운 화합물을 만들 수 있습니다.

예를 들어 수소와 산소의 결합을 생각해보면 가장 흔한 물과 과산화수소 정도 밖에 없습니다.

다른 물질들도 이렇게 몇종류의 화합물 밖에 존재하지 않죠. 하지만 탄소와 수소를 생각해 볼 경우 가장 간단한 메탄부터 탄소가 2개인 에탄,3개인 프로판,4개인 부탄 등 탄소 개수가 늘어날수록

고분자 화합물을 만들수 있으며 여기에 산소가 추가되면 포도당도 되고 알코올도 되고..

그리고 질소까지 추가되면 단백질을 만들 수 있습니다. 또 이중결합도 존재하고 벤젠 같은 방향족도 존재하고 사실상 무한개의 화합물이 존재한다고 볼 수 있죠.

주기율표 상에서 이렇게 최외곽전자가 4개인 원소는 딱 2개 있는데요. 바로 탄소와 규소입니다.

그보다 더 큰 원소의 경우 금속이라 무의미하구요. 따라서 규소기반의 생명체가 있을 수도 있다는 가설이 있습니다.

SF 소설 같은 곳에서도 자주 등장하죠. 하지만 규소의 경우 원자 크기가 상대적으로 커서 탄소만큼 많은 화합물을 만들수 없습니다.

게다가 결합력이 강해서 화학반응이 일어나기도 힘들구요. 규소화합물의 가장 흔한 형태가 바로 돌입니다.

지구의 지각을 구성하고 있는 물질 중 산소 다음으로 많다고 합니다.

규소의 경우 화학반응이 일어나기 위해서는 상당한 에너지가 필요하고 고온 상태에서나 가능하기 때문에 규소화합물이 액체상태가 될 수 있는 조건..

즉 돌이 액체면 바로 마그마가 되죠. 화산속에 규소기반의 생명체가 존재할지도 모른다는 SF 소설들이 있는데 아직 소설 수준이라 현실적으로 가능할런지는..  


결국 학자들은 외계생명체도 탄소기반의 생명체가 될 것이라고 생각하는 것 같습니다. 

탄소기반 생명체의 핵심적인 물질인 아미노산 등 탄화수소 화합물은 우주에서 쉽게 발견되거든요.

운석에 포함되어 나오기도 하고. 우주에 원소구성 비율은 일정하다고 생각하면 적당한 조건만 있다면 탄소,수소,산소 등은 쉽게 결합하여 유기물을 만들 수 있습니다.

그런데 이 적당한 조건이라는 것이 바로 액체상태의 물의 존재입니다.

일단 화학반응이 일어나려면 고체상태보다는 이동이 가능한 액체 상태가 유리하겠죠.

그래야 접촉이 쉽게 일어날테니까요. 그리고 물은 우주에 아주 흔하기도 하고 특이한  성질을 가지고 있습니다.

수소는 크기가 가장 작은 원소이고 산소는 결합력이 상당히 높기 때문에 물 분자 자체가 전기적으로 극성을 강하게 띕니다.

흔히 수소결합이라 부르는데 물의 이런 성질은 여러 물질을 녹일 수 있습니다. 물속에 여러 물질의 녹아서 이동이 가능해지면 화학반응이 일어나기 더 쉽겠죠.

여기에 번개 같은 에너지원이 더해지면 진짜로 유기물이 생성됩니다. 이미 실험으로도 증명이 되었고 지구에 생명이 처음 나타났던 때 일어났던 일이죠.

결국 학자들은 액체 상태의 물만 존재한다면 생명체 존재 가능성을 희망적으로 보고 있습니다.

그래서 외계 생명체를 찾는 작업은 사실상 액체 상태의 물의 존재를 찾는게 전부라고 해도 과언이 아니죠.  




4. 태양은 특별한 항성인가?

[그림] 헤르츠스프룽-러셀도표

헤르츠스프룽-러셀도표는 관측 가능한 항성들을 분류해 놓은 표입니다.  가로축은 표면온도 세로축은 절대등급(밝기)입니다.

이렇게 분류를 해 봤더니 대각선 방향으로 항성들이 나란히 배열되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 이 항성들을 주계열성(Main Sequence)라고 부릅니다. 핵융합 과정에 있는 별들이죠.

이런 항성들이 수소를 다 태우면 팽창하여 적생거성(오른쪽 상단)으로 이동하며 마지막에는 백생왜성(왼쪽 하단)으로 일생을 마칩니다.

이렇게 다른 항성들을 관찰해 봤더니 태양도 다른 항성과 매우 유사합니다. 구성성분도 동일하구요. 단지 차이는 초기 질량 뿐입니다.

태양도 결국 평범한 항성 중에 하나였다는 것이죠.

표에서 오른쪽,하단으로 갈수록 작은 별이고 왼쪽 상단으로 갈수록 질량이 큰 별이입니다.

즉 외계생명체가 존재한다면 그들도 태양과 같은 항성을 가지고 있을 것이며 그 항성계는 우리 태양계와 유사할 것이라고 생각했었습니다.


5. 태양계의 행성들은 평범한가?

천문학의 발전과정을 보면 항상 우리는 특별하다로 시작되어 연구를 해보니 평범하다가 대부분이었습니다.

천동설도 처음에는 지구가 우주의 중심이라고 생각했으나 태양이 태양계의 중심으로 수정되었고 태양도 결국은 우리은하의 외곽에 위치한 나선팔의 일부분에 있죠.

그래서 많은 학자들이 이번에는 우리 태양계가 아주 평범한 행성계를 이루고 있다고 생각했습니다.

태양계는 중심에 태양이 있고 수성,금성,지구,화성의 암석형 내행성과 목성,토성,천왕성,해왕성의 목성형 외행성으로 이루어져 있습니다.

그리고 공전궤도는 거의 원형에 가까운 타원궤도를 가지고 있는데요. 지구의 경우 궤도이심률이 0.02 미만으로 태양에서 가장 가까울 때와 멀 때의 거리차이가 2% 미만입니다.

사실상 원이라고 봐도 무방한 정도이고 지구의 계절변화는 태양과 거리차이가 아니라 자전축이 기울어져 있는 바람에 나타나는 것이죠.

천문학이 발전함에 따라 외계 행성이 계속 발견되었고 지금은 수백개 이상이 된다고 합니다.

그런데 관찰을 해보니 태양계는 매우 특별한 행성계였습니다. 대부분의 외계행성들은 목성형 행성들이 항성에 너무 가까이 붙어 있었고 궤도이심률도 매우 큰 형태였던것이죠.

목성형 행성 바깥쪽에 있는 작은 행성은 궤도가 불안정해져 항성계를 이탈할 가능성이 크고 또 궤도 이심률이 클 경우에는 더 심각해진다고 합니다.

그리고 우주의 반 이상은 쌍성계로 항성 자체가 두개 이상인 경우가 많아 이럴때 중력이 작은 암석형 행성은 항성계를 이탈할 가능성이 커지게 됩니다.

물론 이부분은 앞으로도 더 연구가 필요한 부분이기는한데 지금까지 관찰 결과만 보면 태양계는 매우 특이한 행성계를 이루고 있었습니다.


6. 지구는 특별한가?

아마도 특별한 것 같습니다. 특히 물이 표면에 액체상태로 존재하기 위한 조건만 따져본다면 정말로 특이한 행성입니다.

일단 과학자들이 가장 중요하게 생각하는 것은 항성으로부터 떨어진 거리인데 적절한 거리에 있어야 적절한 온도를 유지할 수 있고 물이 액체상태로 존재할 수 있습니다.

이 거리를 골디락스 존이라 부르는데 큰 항성일수록 멀어집니다. 태양의 경우 현재 지구궤도의 ±20% 정도로 추정되는데

이 골디락스 존에 있어서 적절한 수준의 에너지가 공급되어 물이 액체상태로 존재할 수 있게 됩니다.

이것 말고도 수많은 조건이 필요한데 크기도 적절해야 하고(너무 작아 자기장이 없으면 태양풍에 의해 대기가 다 날아갑니다.)

대기 성분도 적절해야 하고(메탄이나 이산화탄소가 너무 많으면 온실효과로 다 끌어오릅니다.)

매우 큰 위성이 있어야 하고(지구의 자전축을  안정화시켜 계절변화를 일정하게 유지)

대륙이 움직여야 하고(화산활동으로 빙하기를 탈출 할 수 있게 해주죠..)

자전주기도 적절해야하고(달이 지구의 한면을 바라보는 것처럼 조석고정이 되어 있으면 안되죠.)

공전궤도도 일정해야하고(궤도이심률이 너무 크면 멀어졌을때 다 얼어 붙어요..)

단일항성에 선량한 목성이어야하고(그렇지 않으면 작은 행성은 튕겨 나가고)

항성이 적절한 수명을 유지해야하고(인류진화까지 40억년은 넘어야죠..)

항성과 조석고정이 되면 안되고(달이 한면만 지구를 바라보는 것처럼 지구가 한쪽면만 태양을

바라본다면 태양을 향하고 있는 쪽은 항상 낮이고 반대는 항상 밤이겠죠..)

이런 수많은 조건들을 만족시키고도 지구의 역사를 보면 눈덩이 지구라고 몇백년간 얼어 붙었던 흔적이 있었다고 하네요.



7. 다른 형태로 물이 존재할 수도 있지 않을까?

이 부분은 아직 가설 단계인 부분이 많은데요. 과학자들은 목성의 위성인 유로파나 토성의 위성인 엔셀라두스에는 두꺼운 얼음층 밑에 물로 이루어진 바다가 있을 것으로 추정하고 있습니다.

일단 물 자체는 우주에 아주 흔한 물질입니다. 위 우주원소존재비를 보면 수소야 워낙 많고 산소도 상당히 많은 편입니다.

그리고 둘의 결합은 매우 쉽게 일어납니다. 뭐 폭발도 하니까 그래서 물 자체는 많은데 대부분 얼음으로 존재합니다.

물로 존재하기 위해서는 에너지원이 필요한데요. 지구 같은 경우는 골디락스 존 안에 있어서 태양에너지를 사용하지만 행성의 위성들은 행성의 조석력을 사용합니다.

조석력이란 달이 밀물과 썰물을 만드는 힘인데요. 유로파 같은 경우는 목성의 중력이 너무 강해 물 뿐만 아니라 지각 자체가 움직입니다.

매일 화산이나 지진이 일어난다고 보면 되는 것이죠. 이때 엄청난 에너지가 나오게 되고 얼음을 녹여 물을 만들게 됩니다.

이런 메커니즘으로 물이 존재하는게 오히려 현실적이라고 보는 학자들도 있습니다.


지구는 정말 특이해서 우리 은하에 하나 밖에 없는 행성일지도 모릅니다.

우리 은하에 항성은 약 1천억개 중 태양급은 10억개 정도, 여기에 또 단일항성계는 대략 3억개, 여기서 선량한 목성을 가지고 있으려면 약 300만개.

골디락스존에 행성이 존재하려면 3만개, 자기장이 있을정도의 크기와 핵이 있으려면 3천개, 결정적으로 비정상적인 위성(달)이 있으려면 3개... 기타 다른 조건하면..

비율은 제가 대충 생각해서 정했지만 정말로 지구는 우리은하에서 표면에 물을 가지고 오랬동안 안정적으로 존재하는 유일한 행성일지도 모릅니다.

하지만 유로파 같은 메커니즘은 물만 있다면 여러 제약 조건에서 벗어납니다.

크기가 작아도 두꺼운 얼음층이 내부를 보호해주기 때문에 태양풍이나 우주에서 날아오는 우주선을 막아줄 수 있고

모행성과 너무 붙어 있어 조석고정이 되어 있어도(현재 유로파는 목성과 조석고정이 되어 있습니다.)

상관없고 대기도 필요없고 공전주기나 자전주기도 별 상관이 없죠. 모두 두꺼운 얼음이 보호를 해주기 때문인데 얼음 안의 바다에서는 과연 생명체가 존재할까??? 그건 가봐야 알겠죠.

8. 지적생명체와 산소호흡

지구에 존재하는 거의 대부분의 생명체는 산소 호흡을 합니다. 그러나 일부 생명체는 무산소 호흡을 하는데요. 우리가 발효라 부르는 과정도 무산소 호흡 중에 하나입니다.

산소는 생명체에게 양날의 검입니다. 산소가 없는 곳에서 인간은 5분도 못 버티지만 요즘 건강 때문에 이슈가 되고 있는 활성산소도 결국 산소이니까요.

우리가 흔히 연소라 부르는 산화반응은 매우 격렬하게 일어나서 상당한 에너지를 줄 수 있지만 반대로 유기체를 파괴할 수도 있습니다.

지구가 처음 태어났을때에는 기체상태의 산소가 거의 없었기 때문에 처음 등장한 생명체들은 당연히 무산소 호흡을 할 수 밖에 없었습니다.

지금도 바닷속 열수공 근처에 사는 생물들은 황화수소를 이용해서 에너지를 얻고 있죠.

하지만 황화수소를 이용한 호흡으로는 얻는 에너지에 한계가 있어 좀 더 큰 생물로 진화하는데 한계가 있습니다.

그리고 광합성이 가능한 생명체가 나타나 산소를 대기중에 방출하자 거의 모든 무산소 호흡을 하는 생명체들이 전멸했습니다. 지금은 열수공 같은 곳에서만 볼 수 있죠.

과연 유로파 바다속에 산소가 있을까요? 지구의 경우 산소의 발생은 태양에너지가 기원입니다.

광합성의 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았지만 식물이 태양 빛을 받아 물과 이산화탄소를 포도당으로 바꾸고 산소를 내놓는 것이죠.

유로파에 만약 생명체가 존재한다면 태양빛으로 광합성 할리는 없을테니까 지구와 같은 메커니즘으로 산소를 발생시키는 것은 불가능합니다.

목성의 조석력으로 인한 에너지는 충분하다고 보기에 무엇인가 다른 메커니즘으로 산소가 존재할 가능성도 있으나 이것 역시 가봐야 알겠죠.

만약 산소가 없다면 지구의 원시 바다처럼 무산소 호흡을 하는 생명체들이 있을 가능성은 매우 높다고 보는 것 같지만

그들이 세균 수준이 아닌 좀 더 고등생명체로 진화가 가능했을런지는 글쎄요..

유로파의 경우 가까우니까(?) 언젠간 탐사가 이루어지겠죠.