거대지구

거대지구는 태양계 밖 외계행성(exoplanet) 가운데 질량이 지구보다 크고 천왕성, 해왕성보다 상당히 작은 행성이다. 천왕성의 질량은 지구의 약 15배, 해왕성의 경우는 약 17배 가량이기 때문에 질량이 지구의 수 배에 달하는 외계행성이라면 거대지구로 분류된다.

그림 1. 외계행성의 분류(출처: )

목차

보통 지구 질량의 2배에서 10배 가량의 질량을 갖는 외계행성을 통칭하여 거대지구라고 한다. 그러나 질량 범위가 명확하게 정의된 것은 아니라서, 때로는 질량 하한선을 1 지구질량 또는 5 지구질량 등으로 정하기도 한다. 또한 이 기준은 질량만으로 구분하는 것이기 때문에 대기의 두께, 모항성으로부터의 거리, 공전주기, 위성의 존재 여부, 생명체의 거주 가능성 등은 전혀 고려하지 않는다. 그러나 크기에 관해서는 혼용되기도 하는데, 그 이유는 우주공간에서 행성이 그 형태와 질량, 궤도를 유지할 수 있는 밀도의 범위가 한정되어 있기 때문에 질량이 지구와 비슷한 외계행성이라면 부피 역시 크게는 지구와 유사한 범위 내에 있으리라 예상할 수 있기 때문이다. 다만, 지구와 비슷한 크기의 행성이라면 일정 정도의 대기를 가질 수는 있으나 목성과 같은 기체형 행성이 될 정도는 아니기 때문에 거대지구는 일반적으로 암석형 행성일 것으로 생각된다.

그림 2. 지금까지 발견된 외계행성의 질량과 크기 관계도(2019년 5월 20일 기준) (출처: 심채경/한국천문학회)

거대지구는 몇 가지 종류로 나누어 볼 수 있다. 철질의 핵 위에 얇은 규산염층이 있는 수성형(Mercury-like) 행성, 철질의 핵 위에 두터운 규산염층이 있는 금성/지구/화성형(Venus-/Earth-/Mars-like) 행성, 토성의 위성인 엔셀라두스(Enceladus)와 같이 철과 규산염 외에 상당량의 물을 포함하고 있는 바다(water- 또는 ocean-) 행성, 탄소가 풍부한 탄소(carbon) 행성 등이 있으며, 여기에 나열한 몇 가지 특징이 공통적으로 나타나는 행성도 있을 수 있다.

시선속도(radial-velocity) 방법으로 관측된 G형과 K형 별의 30% 이상은 최소 한 개 이상의 거대지구를 행성으로 거느리고 있다. 지금까지 관측된 외계행성계들과 비교해 보면 태양계는 안쪽에 지구형 행성의 수가 적은 편에 속한다. 또한 태양계의 암석형 행성 중에 가장 크고 무거운 것이 지구, 그 다음은 질량이 지구의 14배에 달하는 해왕성이므로 태양계에는 거대지구가 하나도 없다. 이론적으로 거대지구가 존재할 수 있는 모항성으로부터의 거리의 범위는 특정되지 않으며, 어디에나 가능할 거라고 예측된다. 인류가 특히 관심을 갖는 것은 표면에 액체상태의 물이 순환할 수 있는 생명체 거주가능 영역(habitable zone) 안에 있는 행성들이다. 지금까지 관측과 이론을 모두 종합해 볼 때, 밤하늘의 별들 중 절반 이상은 1-AU 거리에 지구 혹은 거대지구 행성을 가질 것으로 생각된다.

외계행성 탐색을 위해 기획된 케플러(Kepler) 임무에서는 행성이 모항성의 앞, 뒤를 통과(transit)할 때 생기는 광량의 변화를 이용해 외계행성을 찾기 때문에 질량보다는 반지름을 먼저 알 수 있다. 따라서 질량 대신 크기 정보를 주로 사용하는데, 보통 반지름이 지구의 1.5배에서 2.5배 이내인 것을 거대지구크기(super-Earth-size 또는 -sized) 행성으로, 2배에서 6배 이내인 것은 해왕성크기(Neptune-size 또는 -sized) 행성과 같이 구분한다. 크기의 범위 역시 정해진 것은 아니며, 때로는 그 범위를 0.8 지구지름에서 1.25 지구지름 이내로 정하기도 한다. 때로는 '크기(-size 또는 -sized)’를 생략하고 부르기도 한다. 따라서 서로 다른 연구 결과를 비교하거나 특정 행성에 대해 자세히 알기 위해서는 언급하는 거대지구의 분류 기준이 질량인지, 혹은 크기인지 확인할 필요가 있다.

그림 3. 모항성 통과 현상으로 발견된 외계행성의 크기별 돗수분포(2016년 5월 10일 기준, 출처: )