외계 물 세계는 단지 신기루일 뿐이었습니다.

외계행성 K2-18b의 그림. 이 행성은 두꺼운 가스층을 가지고 있으며, 지구 전체에 바다가 없는 것으로 추정됩니다. 출처: ESA/Hubble, M. Kornmesser, CC BY 4.0

지구에서 124광년 떨어진 왜성 주위를 공전하는 외계행성이 2025년 4월 전 세계 언론의 주목을 받았습니다. 케임브리지 대학교 연구진은 K2-18b 행성이 생명체로 가득한 깊고 넓은 바다를 가진 해양 행성일 가능성이 있다고 보고했습니다. 그러나 최근 한 연구에 따르면 K2-18b와 같은 소위 준해왕성형 행성(sub-Neptune)은 물이 지배적인 행성일 가능성이 매우 낮으며, 생명체가 살기에 적합한 환경과는 거리가 멀다는 것이 밝혀졌습니다. ETH 취리히의 외계행성 교수인 캐롤라인 돈은 "행성의 물은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 제한적입니다."라고 지적합니다.

이 연구는 취리히 연방공과대학교(ETH Zurich)의 주도 하에 하이델베르크 막스 플랑크 천문학 연구소와 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스 연구진과 협력하여 수행되었습니다. K2-18b는 지구보다 크지만 해왕성보다는 작아 태양계에는 존재하지 않는 행성으로 분류됩니다. 그러나 관측 결과 우주에서는 흔히 발견됩니다. 이러한 준해왕성형 행성 중 일부는 물이 얼음으로 얼어붙은 후 내부로 이동하는 소위 스노우 라인(snow line) 너머, 중심별에서 멀리 떨어진 곳에서 형성되었을 가능성이 높습니다.

지금까지 이러한 행성들 중 일부는 형성 과정에서 특히 많은 양의 물을 축적할 수 있었으며, 현재는 수소가 풍부한 대기 아래에 깊고 넓은 바다를 품고 있을 것으로 추정되어 왔습니다. 전문가들은 이 행성들을 "수소"와 "바다"의 합성어인 하이케아 행성(Hycean planet)이라고 부릅니다.

화학을 고려하다

"저희 계산에 따르면 이러한 시나리오는 불가능합니다."라고 돈은 말합니다. 이는 이전 연구의 근본적인 취약점 중 하나가 행성 대기와 내부 간의 화학적 결합을 무시했기 때문입니다. "이제 행성 내부와 대기 간의 상호작용을 고려했습니다."라고 돈 연구팀의 연구원이자 천체물리학 저널 레터스에 게재된 이 연구의 주저자인 에런 워런은 설명합니다.

연구진은 준해왕성들이 형성 초기 단계에서 깊고 뜨거운 마그마 바다에 뒤덮이는 단계를 거쳤을 것으로 추정합니다. 수소 가스 껍질 덕분에 이 상태가 수백만 년 동안 유지되었을 것입니다.

"저희 연구에서는 마그마 바다와 대기 사이의 화학적 상호작용이 어린 준해왕성 외계 행성의 수분 함량에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다."라고 워렌은 말합니다.

이를 위해 연구진은 특정 기간 동안의 행성 진화를 설명하는 기존 모델을 사용했습니다. 여기에 대기 중 기체와 마그마 내 금속 및 규산염 사이에서 일어나는 화학적 과정을 계산하는 새로운 모델을 결합했습니다.

내부로 사라지는 물

연구진은 총 248개의 모형 행성에 대해 26가지 구성 요소의 화학적 평형 상태를 계산했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 이러한 화학적 과정이 대부분의 H2O 물 분자를 파괴하는 것으로 나타났습니다. 수소(H)와 산소(O)는 금속 화합물에 결합하고, 이 화합물들은 대부분 행성의 핵으로 사라집니다.

이러한 계산의 정확도에는 몇 가지 한계가 있지만, 연구진은 결과에 확신을 가지고 있습니다. "우리는 주요 추세에 초점을 맞추었고, 시뮬레이션을 통해 행성들이 원래 축적되었던 것보다 훨씬 적은 양의 물을 가지고 있음을 분명히 알 수 있었습니다."라고 Werlen은 설명합니다. "실제로 표면에 H₂O로 남아 있는 물은 기껏 해야 몇 퍼센트에 불과합니다."

이전 논문에서 도른 연구팀은 행성의 물 대부분이 내부에 어떻게 숨겨져 있는지 이미 보여주었습니다. 연구진은 "이번 연구에서 우리는 이러한 준해왕성형 행성들에 총 얼마나 많은 물이 있는지 분석했습니다."라고 설명했습니다. "계산에 따르면, 이전에 생각했던 것처럼 행성 질량의 약 50%를 물로 구성하는 거대한 물층을 가진 먼 행성은 존재하지 않습니다. 따라서 10~90%의 물을 가진 하이케아 행성은 존재할 가능성이 매우 낮습니다."

이로 인해 외계 생명체 탐사는 기대했던 것보다 더 어려워집니다. 표면에 충분한 액체 물이 존재하는 등 생명체가 살기에 적합한 환경은 작은 행성에서만 존재할 가능성이 높으며, 이러한 행성들은 아마도 제임스 웹 우주 망원경보다 더 나은 관측 장비를 통해서만 관측 가능할 것입니다.

지구는 특별한 경우가 아니다

돈은 대부분의 먼 행성들이 지구와 비슷한 수분 함량을 가지고 있다는 새로운 계산 결과를 고려할 때, 지구의 역할이 특히 흥미롭다고 생각합니다. "지구는 우리가 생각하는 것만큼 특별하지 않을 수도 있습니다. 적어도 우리 연구에서는 지구가 전형적인 행성으로 보입니다."라고 그녀는 말합니다.

연구진은 또한 역설적으로 보이는 차이에도 놀랐습니다. 물이 가장 풍부한 대기를 가진 행성은 설선 너머로 얼음이 가장 많이 축적된 행성이 아니라, 설선 안에서 형성된 행성이었습니다. 이 행성들에서 물은 얼음 결정에서 유래한 것이 아니라, 행성 대기의 수소가 마그마 바다의 규산염에서 나온 산소와 반응하여 H₂O 분자를 형성할 때 화학적으로 생성 되었습니다 .

"이러한 발견은 얼음이 풍부한 형성과 물이 풍부한 대기 사이의 고전적인 연관성에 의문을 제기합니다. 오히려 마그마 해와 대기 사이의 평형이 행성의 구성을 형성하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 강조합니다."라고 워렌은 결론지었습니다. 이는 제임스 웹 망원경 시대의 행성 형성 이론과 외계 행성 대기 해석에 지대한 영향을 미칠 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250918225006.htm