외계 생명체 탐색은 어려움과 가능성을 동시에 가지고 있는 분야
정보 이론을 이용한 새로운 방법이 외계 생명체 탐색에 새로운 가능성을 제시
제임스 웹 우주망원경과 같은 새로운 관측 장비의 등장으로 외계 생명체 탐색의 가능성도 높아지고 있음

[해외DS]는 해외 유수의 데이터 사이언스 전문지들에서 전하는 업계 전문가들의 의견을 담았습니다. 저희 데이터 사이언스 경영 연구소 (GIAI R&D Korea)에서 콘텐츠 제휴가 진행 중입니다.

우주 어딘가에 생명체가 존재할 가능성보다 더 흥미로운 질문은 드물다. 하지만 외계인은 지구를 방문하지 않고, 우리도 단기간에 외계인의 행성을 갈 수 없으므로 먼 우주에 생명체가 존재한다는 간접적인 증거가 답을 구하는 제일 나은 방법이다.

외계 생명체의 존재, 대기에 남은 생물학적 활동 증거 발견해야

문제는 행성과 위성이 모항성보다 훨씬 작을 뿐만 아니라 훨씬 더 어두우므로 직접 관측하기가 매우 어렵다는 것이다. 다행히도 창의적인 천문학자들은 우주에서 멀리 떨어진 별을 공전하는 행성을 감지하고, 행성 대기의 대략적인 화학 성분을 파악할 수 있는 관측 방법을 고안해 냈다. 생명체가 행성의 곳곳에 존재한다면 대기 중에 신호를 남길 수 있다. 지문처럼 다양한 종류의 생물학적 활동은 대기에 특정한 흔적을 남기기 때문이다. 예를 들어 광합성을 통해 생성되는 대기 중의 풍부한 산소가 지구의 생명체 존재를 증명하는 것과 같다. 결과적으로 우리의 과제는 생명체가 외계 대기에 남기는 메시지를 해독하는 것이다.

이를 위해서는 강력한 망원경이 필요할 뿐만 아니라 외계에서 포착한 빛에 숨겨진 정보를 해독하는 방법에 대한 새로운 사고방식도 필요하다. 이에 천문학자들은 정보 이론을 사용해서 외계 행성의 잡음으로부터 신호를 선별해야 한다고 제안한다. 이 접근 방식은 두 단계로 이뤄지는데 △외계 행성에서 빛을 포착한 후 △정보 이론을 사용하여 생명체의 존재와 관련된 화학 물질을 탐색하는 식이다. 통신에서 문장을 구성하는 알파벳 문자가 있다면, 우주생물학에서는 먼 행성의 대기에 존재하는 특정 화학 물질을 가리키는 징후로 작용한다.

오늘날 외계 행성의 화학 성분을 가장 잘 추론할 방법은 '통과 분광법'(transit spectroscopy)이다. 지구에서 볼 때 행성이 별 앞을 지나갈 때 행성의 대기는 별빛의 일부를 흡수한다. 그 결과 생성되는 '흡수 스펙트럼'(absorption spectrum)은 들쭉날쭉한 산맥의 윤곽과 비슷하게 보이며, 골짜기 부분은 별에서 오는 빛을 흡수하는 다양한 화학 원소에 해당한다. 이로부터 그곳에 어떤 종류의 생물학적 활동이 있는지 추론할 수 있게 된다.

외계 생명체 탐색의 어려움과 가능성

물론 그것을 찾는 방법을 안다는 전제 하의 말이다. 더 어려운 질문을 하기 전까지는 매우 희망적으로 보이지만, 어디까지나 이러한 생물학적 신호가 인간이 알고 있는 지구상의 생명체에 한하여 가정하고 있다. 이것이 좋은 출발점일 수 있지만, △실제로 생물학적 신호를 발견할 것이라고 어떻게 확신할 수 있을까 △그렇다면 어떤 종류의 대기에서 생물학적 신호를 찾아야 할까 △지구와 유사한 행성을 찾고 있다면 진화 역사의 어느 단계에 속한 생물학적 신호를 발견할 수 있을까. 생명체는 35억 년 전 처음 출현한 이래 지구의 대기를 크게 변화시켰다. 지질학적 시대가 다른 지구를 바라본 외계 천문학자는 지구의 대기에 급격한 변화를 발견할 수 있었을 것이다. 지구의 생명이 진화하는 동안 생명체는 지구 대기의 산소와 오존을 엄청나게 증가시켰을 뿐만 아니라 메탄의 변동을 촉발했다. 마지막으로 모항성은 다양한 크기와 온도로 존재하며, 또한 변화한다. 뜨거운 노란색 별부터 차가운 붉은색 별까지, 각기 다른 수명 주기 단계에 있는 모항성은 행성에 미치는 영향이 다 다르다.

이러한 이유로 다른 행성의 대기에서 생명체의 흔적을 찾기 위해 여러 가지 방법을 동원해야 한다. 최근 논문에서는 이러한 핵심 도구 중 하나로 정보 이론(모든 종류의 데이터 전송에서 잡음으로부터 신호를 해독하는 방법론)을 제안했다. 이 분석에서는 시뮬레이션 된 외계 행성의 스펙트럼 데이터를 다양한 진화 단계와 다양한 항성 주위를 공전하는 광범위한 천체 물리학 및 행성 맥락에서 지구의 스펙트럼 데이터와 비교 분석했다. 그 결과, 이 도구가 현재와 미래의 관측 데이터를 안정적으로 분석하여 외계 생명체 흔적을 찾을 수 있음을 시사한 것이다. 젠슨-섀넌 발산(Jensen-Shannon divergence)이라고 알려진 정보 이론에서 채택한 이 측정법은 두 흡수 스펙트럼을 직접 비교하여 얼마나 유사한지(또는 그렇지 않은지)를 정량화한다.

이 '구성 엔트로피'(configuration entropy) 측정값은 행성의 스펙트럼 패턴에서 미묘한 변화를 식별하는 데 탁월한 역할을 하는데, 값이 작으면 비교 대상인 두 행성의 전반적인 대기 구성이 매우 유사하다는 뜻이고, 반대로 값이 크면 상당히 다르다는 뜻이다. 그런 다음 더 정밀한 진단 도구를 사용하여 특정 파장의 빛, 즉 특정 물질의 산맥 골짜기인 '스펙트럼 시그니처'(spectral signatures)를 가장 쉽게 볼 수 있는 전자기 스펙트럼 영역에 대한 구성 엔트로피를 계산했다. 이를 통해 이산화탄소나 메탄과 같은 특정 화합물 또는 메탄과 오존처럼 함께 나타나는 두 가지 화합물에 초점을 맞추고 두 세계에 대해 그 농도를 직접 비교할 수 있게 된다.

정보 이론으로 정의하는 지구 유사체, 분광학적 시그니처의 유사도로 구별

우리에게 외계 행성은 지구에 가까운 반경과 질량을 가지고 있을 뿐만 아니라 지구의 수십억 년 역사를 통틀어 흡수 스펙트럼이 지구와 정보 공간에서 매우 유사할 때 '지구 유사체'라고 부를 수 있다. 이는 우주생물학에서 널리 사용되는 '지구와 비슷하다'는 개념을 확장하여 생물권의 현재 상태를 넘어 생명의 징후가 크게 다를 수 있는 먼 과거(그리고 가능한 미래)까지 살펴볼 수 있도록 한다. 연구진은 20억 년 전 대산화(산소 대폭발) 사건 직후 대기 중 산소가 거의 없고 바다와 해저 암석에 소량의 산소가 존재하던 시기부터 산소가 약 10%였던 8억 년 전, 그리고 마지막으로 21%에 달하는 현대에 이르기까지 지구가 진화하는 세 단계를 고려했다.

연구진이 제안하는 정보 측정법은 분광학적 시그니처를 기반으로 세계를 구분한다. 행성의 나이와 별의 종류가 비슷한 생체 신호를 찾는 데 여전히 혼란을 줄 수 있기 때문에 주의해야 한다고 전했다. 지구와 유사한 행성을 확실하게 식별하려면 태양과 같은 항성 주위를 도는 외계 행성을 찾아야 한다. 그러나 연구진은 생명체가 현재 지구에서 보이는 것을 바탕으로 가정하는 것보다 더 창의적일 것으로 기대한다고 덧붙였다.

현대 지구의 특정 화합물 스펙트럼 시그니처와 다른 항성 궤도를 도는 지구와 유사한 행성의 스펙트럼 시그니처를 비교하면, 연구진의 방법이 생물학적 활동의 원인이 무엇이고 오랜 세월에 걸쳐 어떻게 변화하는지 파악하는 데 매우 적합하다는 것을 발견할 수 있다. 물론 정확도는 스펙트럼이 얼마나 깨끗한지(또는 '저 노이즈') 여부에 따라 달라지지만, 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 역량 내에서도 결과는 매우 유망하다고 연구진은 강조했다. 또한, 이 새로운 정보 측정법은 지구와 유사한 세계뿐만 아니라 모든 종류의 세계에 비교 기준으로 적용될 수 있는데, 예를 들어 지구에서 볼 수 있는 생물학적 활동과 일치하지 않는 외계 생명체를 찾아내어 관련 대기 화학을 새로운 카테고리로 분류할 수 있다는 의미다. 이러한 개방성과 유연성은 우리가 알고 있는 생명체와 알지 못하는 생명체를 찾는 데 더 큰 도움으로 작용할 전망이다. 우주에 지구만 존재하는지는 아직 알 수 없지만, 생명체가 어딘가에 숨어 있다면 곧 발견할 수 있을 것이라고 연구진은 기대했다.

영어 원문 기사는 사이언티픽 아메리칸에 게재되었습니다.