과학학술 | 외계지적생명체 탐사(SETI)

과학학술 | 외계지적생명체 탐사(SETI)

외계인을 찾는 과학연구

— 필자

변용익 / 연세대학교 천문우주학과 교수

— 본문

SKA 프로젝트

▲ ‘SKA 프로젝트’는 현재 건설이 추진 중인 세계 최대의 전파관측설비이다. 프로젝트를 구성하는 수천 개의 고주파 및 중주파 망원경들과 수백만 개의 저주파 망원경들이 호주와 아프리카 두 곳에 각각 3,000km 크기로 2020년대 중반까지 설치될 예정이다. 전파천문학의 혁명을 가져올 것으로 기대되고 있다. ⓒSPDO/Swinburne Astronomy Productions

어 린이들에게 천문학에 대한 강연을 하면 강연의 주제가 무엇이든 관계없이 자주 들어오는 질문들이 있다. “UFO가 정말 있나요?”, “ 다른 별에도 외계인이 살고 있을까요?” 어른들은 이런 질문들을 잘 하지 않는다. 강연 주제와 동떨어진 유치한 질문이라고 생각해서인지 아니면 너무 허황된 이야기라고 스스로 결론을 내려서인지 모르겠다. 내가 아는 모든 천문학자들은 UFO, 즉 미확인비행물체와 관련된 목격담과 사진 증거들에 대해 대체로 냉담하다. 많은 경우 조작이거나 착각에 의한 것으로 드러났기 때문이다. 하지만 천문학자들이 모든 목격 사례들을 꾸며낸 거짓으로 매도한다는 말은 아니다. 다만 UFO가 외계에서 온 비행접시라는 일부 대중의 믿음이 과학적인 방법으로 검증된 바 없으며, 대부분 보고사례의 경우 과학적 분석의 시도 자체가 불가능하다고 생각한다. 그러나 이들 냉담한 천문학자들도 외계인의 존재에 대해서는 마음을 여는 경우가 많다. 외계인들이 비행접시를 타고 광화문 상공을 포함한 지구 곳곳을 돌아다닌다고는 전혀 생각할 수 없으나, 밤하늘에 무수한 별들 어느 곳엔가 뛰어난 외계문명이 있을 수도 있다고 본다. UFO와 외계인에 대한 천문학자들의 이중적인 자세는 쉽게 이해할 수 있다. 천문학자들은 우주가 얼마나 큰 공간인가를 알고 있기에 별과 별 사이를 자유로이 여행한다는 것이 문명의 수준과 관계없이 불가능하다고 대부분 생각한다. 반면에 우리의 태양이 전혀 특별한 존재가 아니라 매우 흔한 별들 중 하나일 뿐이므로 지구와 같은 행성 그리고 인간과 같은 지적인 존재가 우주 전체에서 유일하다고 추정하기 어렵다는 것이다.

 

공상에서 과학으로 : 외계지적생명체탐색 SETI

 

오 랫동안 외계인은 일반인에게나 학자들에게나 공상의 대상이었다. 우리보다 뛰어난 능력을 지닌 신화적 존재에 대한 상상은 인류 문명과 늘 함께 했었고, 외계인들은 오랫동안 다양한 소설과 영화에서 매우 인기 있는 소재로 다루어졌다. 그러나 이들을 진지한 과학연구의 범주에 포함시키기에는 무리가 있었다. 무엇으로 관측하며 무엇으로 실험한다는 말인가. 관측과 실험의 기술이 존재하지 않을 때 해당 과학의 발전은 제자리걸음을 하기 마련이다.

 

외 계지적생명체탐색(SETI; Search for Extra-Terrestrial Intelligence)은 외계인의 존재를 확인하고자 하는 과학적 노력이다. 그 이전에도 비슷한 제안이 있기는 했지만, 본격적인 시작은 코넬대학의 주세페 코코니(Giuseppe Cocconi)와 필립 모리슨(Philip Morrison)이 발표한 1959년 네이처 논문에서 비롯되었다고 보아도 좋겠다. 이 논문에서 저자들은 외계지성이 존재한다면 그들도 우리처럼 통신을 위해 전파기술을 사용하고 있을 가능성이 있으며, 우리 주변의 태양과 비슷한 별들을 전파망원경으로 탐색하여 자연발생적인 전파와 구별되는 신호를 찾아볼 가치가 있다고 주장했다. 논문은 아래의 문장으로 마무리된다. “이러한 탐색의 성공 확률을 추정하기는 어렵다. 그러나 우리가 시도하지 않는다면 그 확률은 0인 것이다.” 마침 같은 생각을 갖고 있던 프랭크 드레이크(Frank Drake)와 같은 열정적인 전파천문학자들에 의해 주변 별들에 대한 전파탐색이 시작된다. ‘프로젝트 오즈마(Project Ozma)’가 출범한 것이다. 처음에는 가까운 별 두 개에 대한 작은 규모의 탐색이었지만 점점 대상이 확대되었고, 특히 소련의 전파천문대들도 가세하면서 임의 방향에 대한 무작위 탐사도 시도되었다. 이후 다양한 SETI의 노력이 뒤를 잇는다. ‘프로젝트 푀닉스(Project Phoenix)’는 약 1천 개의 별들에 대해 전파탐사를 실시했으며, 캘리포니아와 호주의 연구자들에 의해 ‘ 프로젝트 세렌디프 (Project SERENDIP)’가 1979년부터 지금까지 계속되고 있다.

 

외 계인을 찾겠다는 시도는 심지어 동료 과학자들의 공감을 사지 못하는 경우가 많았다. 전파망원경들은 다양한 분야를 연구하는 천문학자들이 공동으로 활용하는 장비였고 허황되어 보이는 SETI 연구에 할애되는 시간은 얼마 되지 않았다. NASA(미항공우주국)를 비롯한 국가 정부의 재정 지원이 끊어지는 경우도 많았다. 이에 칼 세이건(Carl Sagan) 등의 천문학자들이 1980년 행성협회(Planetary Society)를 만들어 대중의 지원을 이끌어내었고, 1984년에는 캘리포니아 마운틴뷰에 ‘SETI 연구소(SETI Institute)’가 설립됐다. 그리고 알렌 민간재단의 기부금을 바탕으로 2000년대에 들어 알렌망원경배열(Allen Telescope Array)과 같은 대규모 전용 관측 시설을 건설하고 있다. 이 연구소에서는 오늘날 140명의 연구원이 100개가 넘는 SETI 관련 연구와 교육활동을 주도하고 있다.

 

모래사장에서 바늘 찾기

 

우 리 은하에는 천억 개가 넘는 별들이 존재한다. 관측 기술의 한계 때문에 우리는 그중 극히 일부의 별에 대해서만 관측을 할 수 있다. 우리 은하에 과연 얼마나 많은 지적 문명체가 있을 것인가. 그리고 전파통신의 방법으로 교신 가능한 문명의 수는 얼마나 될 것인가. 이 문제를 해결하는 방정식이 1960년대 초 프랭크 드레이크에 의해 아래와 같이 제시된 바 있다.

 

N = R*× fp × ne × fl × fi × fc × L

 

우 리 은하 내에서 매년 만들어지는 별의 수 R*, 별들이 행성을 갖고 있을 확률 fp와 행성들 중에서 생명존속가능지역에 위치하는 비율 ne, 생명체가 있을 확률 fl, 그리고 지적 문명체로 진화할 확률 fi와 높은 수준의 통신문명을 가질 확률 fc, 지적 문명체가 존속하는 기간 L 등 여러 가지 변수를 서로 곱하면 그 답을 얻을 수 있다. 문제는 이러한 변수들은 모두 추정치이며 그중 일부만이 과학의 발전을 통해 답을 얻을 수 있으리라는 점이다. 예컨대 우리 자신의 문명이 앞으로 얼마나 지속될지도 모르는 지금, 외계 문명의 존속기간에 대해 그것이 1천 년인지 10만 년인지 어떻게 알 수 있단 말인가. 비록 방정식의 형태는 갖추었지만 해를 구하는 것은 불가능한 상황이다.

 

이 러한 점에서 현재 시도되고 있는 외계인 탐사는 본질적으로 아무런 실마리도 없이 빈손으로 시작하는 무모한 연구라는 특징을 가지고 있다. 외계문명이 어떤 주파수를 선호하는지 짐작할 방법도 없다. 과거의 외계지성 전파탐색은 대부분 1.4GHz 주변 주파수에 집중되어있다. 우주에 가장 풍부한 원소인 수소원자가 방출하는 전파이다. 우리 은하와 외부은하의 구조를 연구하기 위해 대부분의 초기 전파망원경들은 이 주파수에 맞는 수신기를 설치하였고 SETI 연구도 같은 수신기를 활용해온 것이다. 그러나 우리 인류도 기술발전의 역사에 따라 다양한 주파수의 통신방식을 개발해왔다. 방송통신의 경우에도 AM에서 FM으로 또 VHF에서 UHF, 그리고 점점 더 높은 주파수 대역으로 올라가고 있다. 많은 정보량을 담을 수 있는 높은 주파수의 전파가 멀리 나아가지 못하는 점을 개선하기 위해 다양한 통신기술이 새로 등장하고 있다. 최근의 SETI 관측은 이러한 근본적인 단점을 극복하고자 매우 넓은 주파수 대역을 한꺼번에 감시하는 기술개발을 위해 노력하고 있다.

 

주 파수 문제를 고려하지 않더라도 우리 망원경으로 들어오는 우주전파 속에서 외계인이 방출하는 신호를 검출해내는 것은 정말 어려운 일이다. 우주전파 자체가 매우 미약한 신호이기 때문이다. 또한 우리 주변에서 자연적으로 혹은 인공적으로 발생하는 다양한 전자기 잡음을 모두 제거해야만 한다. 아주 적은 양의 관측 자료라고 해도 모든 종류의 잡음을 제대로 제거하고 특이한 외계신호를 따로 분리해내는 과정을 거치게 하려면 매우 큰 용량의 컴퓨터 분석이 필요하다. 이를 위해 버클리대학에서는 90년대 말부터 SETI@home이라는 새로운 방식의 컴퓨터 활용기법을 개발했다. 고가의 대형 슈퍼컴을 이용하여도 다루기 어려운 엄청난 양의 연산을 가정이나 학교에서 사용하는 수많은 일반 컴퓨터들을 연계 활용하여 수행하는 것이다. 외계인 신호후보를 찾아내는 프로그램은 스크린세이버의 형태로 심어져 개인 컴퓨터가 사용되지 않는 유휴시간 동안 작동하게 되어있다. 현재 전 세계에서 오백만 개 이상의 개인컴퓨터들이 참여하고 있는 SETI@home 프로젝트는 분산컴퓨팅 미래 기술개발의 가장 대표적인 사례로 인정받고 있다.

 

21세기 SETI : 새로운 출발

 

외 계지적생명체를 찾으려는 지난 50년간의 노력은 개별적으로는 도전적이었고 과감하였으나, 내용적으로 매우 제한적이었으며 규모면에서 터무니없이 작은 일들이었다. 극히 일부의 주파수에 대해, 극히 일부의 하늘에 대해, 극히 미약한 검출감도의 탐색을 시도해본 것에 지나지 않는다. 우리는 여러 노력에도 불구하고 아직까지 아무런 외계신호를 검출하지 못하였다. 어떤 천문학자들은 외계신호가 없다는 것은 대부분의 문명이 불과 수백 년밖에 지속하지 못하기 때문이지 않겠느냐는 의견을 내기도 한다. 사실 수백 번 자멸할 수 있는 핵무기들과 사고의 위험을 내재하고 있는 핵발전소를 계속 만들고 있는 우리 인류의 현실과 비교하여 걱정스러운 일이기도 하다. 그러나 이러한 우울한 예측은 성급한 측면이 있다. 오히려 현재까지의 외계지성 신호검출 실패는 전혀 실망해야 할 일이 아니라고 생각된다.

 

만 약 어떤 외계문명이 우리 지구에 대해 똑같은 탐색을 시도해본다면 어떠한 결과였을까. 우리 지구는 이미 100년 넘게 라디오와 TV 전파신호를 우주공간에 방출해왔다. 100광년 거리까지 우리의 신호가 진행한 것이다. 우리 은하의 크기는 10만 광년이다. 우리의 존재 신호는 이론적으로는, 은하의 아주 작은 일부지역이긴 하지만 100광년의 구형 공간에 퍼져있다. 그러나 우리의 미약한 전파신호는 그 정도 거리에서는 훨씬 더 미약한 신호가 되어 검출이 대단히 어려워진다. 100광년 이내에는 약 500개의 태양과 비슷한 별이 있다. 그들 어느 곳에서도 우리가 지난 50년 동안 진행했던 정도의 간헐적이고 임의적인 그리고 작은 안테나를 활용한 SETI 연구방식으로는 지구문명의 존재를 도저히 검출할 수 없었을 것이다.

 

SETI 연구의 새로운 지평은 현재 건설이 추진되고 있는 SKA(Square Kilometer Array) 프로젝트와 함께 열릴 것으로 기대된다. 호주 서부의 사막지역과 남아프리카 고원지역 두 곳에 무려 3,000km 영역에 걸쳐 수백만 개의 전파망원경이 들어서게 된다. 인류가 시도하는 가장 큰 과학프로젝트 중의 하나이다. 우주론과 은하생성, 그리고 천문학의 다양한 분야 발전에 큰 역할을 하게 될 이 거대 관측 시설은 전무후무한 감도성능으로 저주파에서 고주파에 이르는 모든 우주전파를 검출하게 될 것이다. 2020년대 중반 완성될 예정인 SKA 관측소에서 생산되는 정보의 양은 하루에 약 10억 테라바이트로 추정된다. 오늘날 전 세계에서 1년 동안 생산되는 컴퓨터 정보에 해당하는 양이 천문학 연구를 위해 매일 만들어지고 저장되고 분석되어야 하는 셈이다.

 

이 새로운 망원경의 등장은 SETI 연구자들을 흥분시키고 있다. 방대한 양의 디지털 자료를 효율적으로 분석하고 잡음을 걸러내는 기술개발이 선행되어야 하겠지만, 기본적으로 이 시설이 갖는 높은 수신감도는 50광년 이내에 존재하는 모든 공항 레이더들을 검출해낼 수 있을 정도인 것으로 추정된다. 외계문명이 대륙간 탄도미사일 방어체제라도 갖고 있다면 혹은 우리처럼 우주탐사선들과의 교신을 위한 딥스페이스 통신망들을 운용하고 있다면 훨씬 더 멀리까지 탐색범위를 넓힐 수 있을 것이다.

 

밝혀지는 사실 : 우리 은하에서 지구는 매우 흔한 존재

 

최 근 우주망원경 케플러(Kepler Space Telescope)의 놀라운 성과들이 계속 발표되고 있다. 천문학자들이 우주에 쏘아올린 수십 개의 우주망원경 중에서 케플러는 매우 독특한 임무를 수행해왔다. 하늘의 작은 지역을 지속적으로 반복관측해서 그 지역 별들의 주위를 도는 행성이 얼마나 많이 존재하는지, 그리고 그 행성들은 어떠한 물리적 특성을 갖는지 조사하는 임무이다. 2009년 발사되어 순탄하게 관측 임무를 수행하던 케플러망원경은 작년 5월 자세제어장치의 고장으로 기존의 관측을 더 이상 이어나가지 못하고 있다. 그러나 4년 동안 축적된 자료의 분석에서 4천 개가 넘는 외계행성 후보가 발견되었고, 이 후보들에 대한 정밀분석과 지상망원경 추가관측이 계속되고 있어 확정되는 외계행성의 수는 앞으로 점점 늘어날 것이다.

 

현 재 진행되고 있는 모든 외계행성 탐색 연구의 가장 중요한 목표는 지구와 비슷한 특징을 갖는 행성들이 얼마나 많은지 이해하고자 하는 것이다. 지구가 우주 속에서 정말 극도로 특별한 존재인지 혹은 엄청나게 흔한 존재인지에 대한 해답은 발견되는 행성들의 특성분포연구를 통해 알 수 있게 된다. 우주망원경 케플러는 이미 지구와 유사한 크기의 수백 개 행성 후보를 찾아놓았다. 이들에 대한 추가의 지상관측은 이 행성들이 지구와 유사한 밀도를 가지고 있는지 또한 뜨거운 별에서 적절한 거리에 있는 소위 생명존속가능지역 내에 존재하는지 밝혀줄 것이다.

 

2017 년 발사될 미국의 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite) 우주망원경은 케플러와 유사한 그러나 전체 하늘의 가깝고 밝은 별들을 대상으로 한 지구형 행성찾기 임무를 수행할 예정이다. 유럽에서도 금년 2월에 외계행성탐사를 위해 우주망원경 계획 PLATO(PLAnetary Transits and Oscillations of stars)를 추진할 것임을 발표하였다. 현재 건설 중이고 금년 말 가동을 목표로 하고 있는 한국천문연구원의 KMTNet(Korean Microlensing Telescope Network) 망원경들도 미세중력렌즈 방식을 이용한 지구형 외계행성탐사를 주요 목표로 하고 있다.

 

케 플러 자료의 초기 분석에 따르면 지구와 유사한 조건을 가진 외계행성의 숫자는 우리 은하에만도 수십억 개에 이른다고 추정되고 있다. 태양과 비슷한 별들의 20% 이상이 지구 크기 정도의 행성을 따뜻한 생명존속가능지역에 두고 있으리라는 것이다. 이러한 정도라면 밤하늘에 육안으로 보이는 별들 중에도 꽤 많은 별이 지구와 같은 행성을 가지고 있다는 이야기이다. 그 중 가까운 것은 거리상으로는 불과 수십 광년에 지나지 않을 수 있다. 물론 생명존속가능 지역이 뜻하는 것은 물이 액체 상태에 있다는 것이지, 반드시 물이 있다거나 혹은 대기조건이 생명체 발생에 적합하다는 것을 의미하지는 않는다. 그것을 밝혀내는 것은 지금 건설되고 있는 지상의 초대형 광학망원경들이 할 일이다. 한국도 국제협력의 일원으로 참여하는 대형마젤란망원경(Giant Magellan Telescope)은 2020년부터 직경 25미터에 달하는 대구경을 활용하여 멀리 있는 지구형 행성들을 바라보며 각각의 대기와 표면의 구성 물질에 대한 자료를 양산할 것으로 기대되고 있다. 그리고 그 과정에서 이 먼 세계들에 존재하는 생명의 흔적을 찾게 될지도 모른다. 또한 자연적으로는 만들어질 수 없는 분자화합물들이 그러한 행성의 대기에서 발견된다면, 이는 지적생명체 존재의 중요한 증거로 활용될 수 있을 것이다.

 

외계행성에 대한 관측천문학적 연구는 머지않은 장래에 우주에 대한 인간의 인식을 크게 바꾸어놓을 것임에 틀림없다. 지구의 기원, 그리고 생명과 생명환경의 기원에 대해서도 중요한 해답을 줄 수 있을 것이다.

 

 

 

 

 

▲ 모두 350개의 소형안테나로 이루어지게게 될 알렌 전파망원경 배열. SETI 탐색전용으로 만들어지고 있는 최초의 천문장비로 2007년 1차로 42개의 안테나가 완성되어 관측에 사용되고 있다.) ⓒSETI Institute

우리는…

 

외 계행성과 외계지성에 대한 한국천문학자들의 관심도 꽤 높다. 천문학을 위한 유일한 국가연구소인 한국천문연구원은 독자적으로 지구형 행성을 검출하기 위한 탐사망원경시설을 칠레, 남아공, 호주의 천문대에 각각 구축하고 있고, 칠레의 아타카마 고원에 건설되고 있는 대형마젤란망원경 국제협력사업에도 참여하고 있다. 그러나 아쉽게도 아직 본격적인 SETI 전파탐색은 수행되고 있지 못하다. 세계에 자랑할 수준의 고성능 전파망원경 3기가 KVN(Korean VLBI Network) 사업의 일환으로 국내에 건설된 지 여러 해가 지나고 있다. 서울과 울산 그리고 제주에 설치된 직경 21미터의 이 전파망원경들은 22, 43, 86, 129GHz 등 네 개의 주파수 대역을 동시에 관측할 수 있는 놀라운 능력을 보유하고 있다. 이제 이 전파망원경들이 본격적인 정상가동에 들어간 만큼, 여기에서 생산되는 자료도 SETI 연구를 위해 활용하는 기회가 오기를 희망한다. 지금도 우주 어딘가로 부터 발신된 외계 지성체의 전파신호들이 우리 주변을 지나고 있을지도 모른다.

 

작성자: khugnews

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