생명체를 가진 외계 행성을 탐색할 때 대기 중 산소는 생명체 활동을 나타내는 강력한 증거 중 하나로 꼽힌다. 하지만 태양과 비슷한 별을 생명체 서식 가능 영역 안에서 도는 지구 닮은 행성이 발견되고, 대기에서 산소가 확인된다고 해도 생명체가 반드시 존재한다고 할 수는 없는 것으로 제시됐다.
생명체 없이도 행성 대기에 산소가 축적될 수 있는 길이 여러갈래 있다는 것이다.
미국 샌타크루즈 캘리포니아대학에 따르면 이 대학 천문학·천체물리학과의 조슈아 크리산센-토튼 박사가 이끄는 연구팀은 지구와 비슷한 암석형 행성에서 생명체가 광합성을 통해 만들어내지 않고도 대기 중에 산소가 형성될 수 있는 세 가지 시나리오를 찾아낸 결과를 미국지구물리학회(AGU)가 발행하는 저널 'AGU 어드밴시스'(Advances)에 발표했다. 연구팀은 암석형 행성의 지구화학적 진화를 다룬 컴퓨터 모델을 이용해 행성 형성 초기의 휘발성 원소 조건을 바꿔가며 암석 용융 단계부터 수십억년에 걸친 냉각과 지구화학적 순환 과정을 살폈다.
암석형 행성에서 대기 중 산소는 고에너지 자외선이 상층 대기의 물 분자(H₂O)를 수소(H)와 산소(O)로 분리하고 가벼운 수소가 우주로 빠져나가면서 축적된다.
이 산소는 용융 암석에서 나온 일산화탄소나 수소 등과 상호작용하거나 암석 풍화작용 등과 같은 과정을 통해 대기 중에서 사라지기도 한다. 연구팀은 대기 프로세스에만 초점을 맞춘 이전 연구와 달리, 컴퓨터 모델에 이런 지구화학적 진화 과정을 반영했다.
지구가 형성될 때 갖고있던 초기 조건에 맞춰 컴퓨터 모델을 돌리면 생명체 없이는 대기 중에 산소가 축적되지 않는 결과가 되풀이 됐지만 몇가지 조건에서는 "생명체 없이도 산소가 축적되는 결과가 나왔다"고 연구팀은 밝혔다.
우선 지구와 비슷한 행성이 지구보다 더 많은 물을 갖고 형성될 때 깊은 바다가 만들어지며 지각에 엄청난 압력을 가해 대기 중 산소를 제거하는 용융 암석의 가스 방출이나 풍화작용 등과 같은 지질활동을 차단하게 되는 것으로 나타났다. 이와 반대로 행성이 물을 적게 갖고 형성되면 대기에 수증기가 남아있는 상태에서 마그마로 된 용융 암석이 굳을 수 있으며, 상층 대기의 물 분자는 산소와 수소로 분리되고 산소만 축적되는 결과로 이어졌다.
미국 항공우주국(NASA)의 '세이건 펠로'(Sagan Fellow)이기도 한 크리산센-토튼 박사는 이와 관련, "마그마 표면이 굳으면서 동시에 대기 중 물 분자도 응결돼 바다로 떨어지는 것이 전형적인 순서"라면서 "그러나 마그마 표면이 굳은 뒤에도 대기 중에 수증기를 갖고있으면 약 100만년에 걸쳐 산소가 축적되는 창이 열리게 된다"고 설명했다.
행성의 물 분자 대비 이산화탄소(CO₂) 비율이 높아도 심각한 온실효과가 발생하며 기온이 높아져 대기 중의 물 분자가 응결돼 표면으로 떨어지지 않아 같은 결과가 발생하는 것으로 나타났다.
연구팀은 이런 연구 결과를 들어 차세대 망원경은 외계 행성 대기의 산소를 탐색할 수 있는 기능에 더해 행성의 환경을 파악하고 다른 생명체 증거를 찾을 수 있는 능력을 갖출 필요가 있다고 강조했다. 차세대 망원경은 2030년대 후반께 배치돼 외계 행성의 이미지를 직접 촬영하고 분광 분석을 할 수 있는 기능을 갖출 것으로 기대되고 있다.