NASA의 Goddard 우주 비행 센터의 일부인 NASA 기후 시뮬레이션 센터 (NCCS)의 중심에는 Linux 기반 프로세서의 129,000 코어 클러스터 인 Discover 슈퍼 컴퓨터가 있습니다. 초당 6.8 페타 플롭 (6.8 조)의 작업을 수행 할 수있는이 슈퍼 컴퓨터는 미래의 지구 기후가 어떤지 예측하기 위해 정교한 기후 모델을 실행해야합니다.
그러나 NCCS는 또한 태양계를 넘어서 발견 된 4,000 개 이상의 행성에서 어떤 조건이 어떤지 예측하기 위해 Discover의 슈퍼 컴퓨팅 능력 중 일부를 바치기 시작했습니다. 이러한 시뮬레이션은이 행성들 중 다수가 거주 가능할 수 있음을 보여 주었을뿐만 아니라,“거주 가능성”에 대한 우리의 개념이 다시 생각할 수 있다는 증거입니다.
지난 10여 년 동안 수많은 외계 행성 발견이 이루어 졌음에도 불구하고 과학자들은 기후 모델에 의존하여 어느 것이“잠재적으로 거주 할 수 있는가”를 결정해야한다. 현재, 우주선을 통해이 행성들을 탐험하는 것은 관련이있는 거리 때문에 완전히 비현실적입니다.
이전 기사에서 언급했듯이 현재 방법과 기술을 사용하여 가장 가까운 별 시스템 (Alpha Centauri)에 도달하는 데 19,000 년에서 81,000 년이 소요됩니다. 또한 외계 행성의 직접적인 관측은 오늘날 망원경을 사용하는 드문 경우에만 가능하며, 일반적으로 별을 원거리에서 공전하는 거대한 행성을 포함합니다. 이 행성들은 가스 거인 인 경향이 있으므로 거주 성 후보자가 아닙니다.
어쨌든 천문학 자들은 우리 태양계 너머에서 관측 된 모든 행성들이 본질적으로 절충 적이라는 것을 발견했습니다. 현재까지 확인 된 4,108 개의 외계 행성은 해왕성 가스 자이언트 (1375), 목성 가스 자이언트 (1293) 또는 수퍼-아츠 (1273)입니다. 161 개의 외계 행성 만이 자연계에서 지상파 (일명“바위”또는“지구 같은”)였으며, 모두 M 형 (붉은 왜성) 별 주위에서 발견되었다.
NASA Goddard 천체 물리학 자 엘리사 퀸 타나 (Elisa Quintana)는 2014 년에 거주 할 수있는 지역 (HZ)의 지구 크기 행성 인 케플러 -186f의 발견을 담당 한 팀을 이끌었습니다.
“오랫동안 과학자들은 태양과 지구와 같은 시스템을 찾는 데 집중했습니다. 그게 우리가 아는 전부입니다. 그러나 우리는 행성에이 모든 미친 다양성이 있다는 것을 알아 냈습니다. 우리는 달만큼 작은 행성을 발견했습니다. 우리는 거대한 행성을 발견했습니다. 그리고 우리는 그 궤도에있는 작은 별, 거대한 별 및 여러 개의 별을 발견했습니다.”
붉은 왜성의 HZ 내에서 공전하는 지상 행성의 발견은 처음에 큰 흥분의 원천이었습니다. 이 별들은 우리 은하계에서 가장 보편적 인 별일뿐 아니라 은하계에서만 별의 85 %를 차지할뿐 아니라 태양계에 가까운 별을 궤도로 돌고있는 것으로 밝혀졌습니다.
여기에는 TRAPPIST-1의 HZ 내에서 궤도를 도는 세 개의 행성 (39.46 광년 떨어져 있음)과 지구와 가장 가까운 외계 행성 (Proxima b) (4.24 광년 떨어져 있음)이 포함됩니다. 불행히도, 최근 몇 년 동안이 행성들이 시간이 지남에 따라 실행 가능한 분위기를 유지하는 데 어려움을 겪는 것으로 밝혀진 수많은 연구가 수행되었습니다.
간단히 말해서, 그것들이 더 작고 시원하다는 사실은 적색 왜성이 HZ가 표면에 훨씬 더 가깝다는 것을 의미합니다. 이것은 붉은 왜성 HZ로 궤도를 돌고있는 행성이 그들과 조용히 잠겨있을 가능성이 있다는 것을 의미합니다. 즉, 한쪽은 항상 별을 향하고 있으며 모든 별의 열, 복사 및 태양풍의 수신단을 향하고 있습니다.
따라서이 행성들이 거주 가능할 수 있는지의 여부는 조밀 한 대기의 존재, 자기권의 존재 및 적절한 화학적 존재비와 같은 여러 가지 요인에 달려 있습니다. 과학자들은 행성을 직접보고 생명을위한 이러한 성분 (일명 생체 서명)을 확인할 수있는 대신“잠재적으로 거주 할 수있는”외계 행성을 찾기 위해 기후 모델에 의존합니다.
제트 추진 연구소에 기반을 둔 NASA의 최고 외계 행성 과학자 인 칼 스타 펠 펠트 (Karl Stapelfeldt)에 따르면 다른 행성의 기후를 모델링하는 능력은 절대적으로 필요합니다. 우주 탐사의 미래에“모델은 우리가보아야 할 것에 대한 구체적이고 테스트 가능한 예측을한다”고 그는 말했다. "이것은 미래 망원경을 설계하고 전략을 관찰하는 데 매우 중요합니다."
간단히 말해서, 기후 모델링에는 특정 조건 및 / 또는 환경 변화에 따라 지구 (또는 다른 행성) 기후가 어떤지 시뮬레이션 할 수 있습니다. 수년간이 작업은 NASA의 Goddard Institute for Space Studies에서 최근에 은퇴 한 행성 기후 과학자 Anthony Del Genio가 수행했습니다. Del Genio는 커리어 동안 지구와 다른 행성 (Proxima b 포함)과 관련된 기후 시뮬레이션을 수행했습니다.
요약하자면, Proxima b는 지구와 크기가 같고 최소 1.3 배입니다. 지구는 11.2 지구 일마다 한 번씩 그리고 0.05 AU 거리 (지구와 태양 사이의 거리의 5 %)에서 별 (Proxima Centauri)을 공전합니다. 이 거리에서 지구는 중력에 의해 별에 고정 될 가능성이 있으며, 한쪽은 항성의 강한 방사선에 지속적으로 노출되고 다른 쪽은 일정한 어둠과 동결 온도에 노출됩니다.
그러나 Del Genio 팀은 최근 Proxima b에서 가능한 기후를 시뮬레이션하여 얼마나 많은 사람들이 삶을 지탱할 수있는 따뜻하고 습한 환경을 초래할 수 있는지 테스트했습니다. 흥미롭게도, 이러한 시뮬레이션은 Proxima b와 같은 행성이 실제로는 잠기지 않고 한쪽에 노출 된 모든 방사선에도 불구하고 실제로 거주 할 수 있음을 보여주었습니다.
이러한 시뮬레이션을 수행하기 위해 Del Genio 팀은 Discover 슈퍼 컴퓨터를 사용하여 ROCKE-3D라는 자체 개발 한 행성 시뮬레이터를 실행했습니다. 이 시뮬레이터는 1970 년대에 처음 개발 된 지구 기후 모델의 버전을 기반으로하여, 그들이 가지고있는 궤도의 종류와 대기 구성에 따라 다른 행성의 기후를 시뮬레이션 할 수 있습니다.
Del Genio 팀은 각 시뮬레이션마다 Proxima b의 조건을 다양 화하여 기후에 미치는 영향을 확인했습니다. 여기에는 대기의 온실 가스 종류와 양, 대양의 깊이, 크기 및 염분, 육지와 물의 비율 조정이 포함되었습니다. 이를 통해 구름과 바다가 어떻게 순환하고 지구의 태양 복사가 Proxima b의 대기 및 표면과 어떻게 상호 작용하는지 알 수있었습니다.
그들이 발견 한 것은 Proxima b의 가상 구름 층이 방패 역할을하여 표면에서 태양 복사를 편향시키고 Proxima b의 태양을 향한 온도를 낮추는 것입니다. 이것은 NASA Goddard의 과학자 셀러 Exoplanet 환경 협력 (SEEC)이 수행 한 연구와 일치합니다.
외계 행성의 잠재적 기후를 모델링 한 NASA Goddard 행성 과학자 라비 콥 파라 푸 (Ravi Kopparapu)는 다음과 같이 설명했다.
“행성이 중력에 잠겨 축에서 천천히 회전하면 항상 별을 향하는 구름의 원이 별 앞에 형성됩니다. 이것은 별이 대기를 가열하는 위치에서 대류를 일으키는 코리올리 효과로 알려진 힘 때문입니다. 우리의 모델링은 Proxima b가 이렇게 보일 수 있음을 보여줍니다.”
바다 순환과 함께이 구름 원은 따뜻한 공기와 물이 지구의 어두운쪽으로 이동하여 열 전달을 달성하고 지구 전체를 더 환대하게 만들 수 있음을 의미합니다. 델 제 니오 (Del Genio)는“따라서 야간의 대기가 얼지 않게 할뿐만 아니라 야간에 액체가없는 물을 유지하는 부분을 만들 수 있습니다.
열을 순환시키고 유지하는 것 외에도 대기와 해류는 우리가 알고있는 것처럼 생명에 필요한 가스와 화학 원소를 분배하는 역할을합니다. 산소 가스, 이산화탄소, 메탄 등. 이들은 "생체 서명"으로 알려져 있습니다. 그것들은 지구의 생명체에 필수적이거나 생물학적 과정과 관련되어 있기 때문입니다.
그러나“알다시피”는 키워드입니다. 현재 지구는 유일하게 알려진 거주 가능한 행성으로 남아 있으며 지구가지지하는 다양한 생명체는 우리가 잘 알고있는 유일한 예입니다. 따라서, 지구 너머의 생명체를 찾는 것은 현재 생명체에 필요하고 알려진 생물체를 찾는 것으로 제한되어 있습니다. 이것이 우리가“낮은 과일 접근”이라고 부르는 것입니다.
또한 지구는 지난 수십억 년 동안 생명체가 집이라고 불렀던 것처럼 상당히 진화했습니다. 오늘날 산소 가스는 포유류 생물에게 필수적이지만 수십억 년 전에 지구에 존재했던 이산화탄소와 질소 가스 분위기에서 번성했던 광합성 박테리아에 유독했을 것입니다.
따라서 이러한 종류의 모델링은 행성에 거주하는 경우 확실하게 말할 수 없지만 후속 후보에 대한 유망한 대상을 보여줌으로써 검색 범위를 좁히는 데 도움이 될 수 있습니다. 델 제니 오는“우리의 연구는 행성이 거주 가능한지 아닌지를 관찰자에게 말할 수는 없지만, 행성이 더 좋은 수색 후보의 중간 범위를 넘어서고 있는지 여부를 알 수있다”고 말했다.
이것은 차세대 망원경이 우주에 등장 할 때 특히 도움이 될 것입니다. 여기에는 2021 년에 출시 될 예정인 James Webb 우주 망원경과 2023 년에 출시 될 WFIRST (Wide-Field Infrared Space Telescope) 등이 있습니다. 이 도구를 통해 과학자들은 처음으로 작은 행성을 직접 관찰 할 수 있습니다.
Starshade와 같은 코로 노 그래프는 또한 별에서 나오는 빛을 익사함으로써 큰 차이를 만들며, 그렇지 않으면 행성의 대기에서 반사 된 빛을 가릴 수 있습니다. 이것들과 다른 개발들은 천문학 자들이 바위 같은 외계 행성의 대기를 연구 할 수 있다는 것을 의미하며, 어떤 행성이“잠재적으로 거주 할 수있는”지에 대해 확신을 가지고 말할 수있게한다.
Del Genio 팀과 NASA Goddard 우주 비행 센터의 도움을 받아 Proxima b의 기후가 어떻게 보일지에 대한이 애니메이션을 확인하십시오.
