외계행성과 생명 Extraterrestrial Planets and Life

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1 외계행성과 생명 Extraterrestrial Planets and Life 026.017
2008 년 1학기 교수 : 이 상 각 25-1동, 413호 : 조교 : 신영우 25-1동, 406호 :

2 외계행성과 생명 강의 9(04/15) Drake 공식 3항

3 N = R*  fp  ne  fl  fi  fc  L
Drake Equation Frank Drake N = R*  fp  ne  fl  fi  fc  L # of advanced civilizations we can contact # of Earthlike planets per system Earth Chauvinism? Rate of formation of Sun-like stars Fraction of stars with planets Fraction that commun- icate Fraction on which life arises Fraction that evolve intelligence Lifetime of advanced civilizations 10 0.34

4 Ne : #of planets /planetary sys suitable for life,
이 항은 두개로 나눌 수 있다. np: 태양같은 별 주위에 있는 행성계내에 생명에 적합한 행성 수 또는 위성수 fs: 그 행성들 중에 적어도 한 행성에 생명이 나올 수 있는 적절한 성질을 갖는 항성의 비율

5 물 = 수소 + 산소 지구상 생명의 주 물질 : 물. 생명의 주 물질– “대부분 물” 물의 주 역할 : 용해제
생명의 90% 물. 물의 주 역할 : 용해제 분자를 분해하여 영양소를 얻고 찌꺼기를 제거. 용액에서 분자가 자유롭게 이동하게 함. 액체상태의 물 적절한 온도와 압력이 요구.  항성(너무 높은 온도) ; 성간(너무 낮은 압력)  우주에서 매우 제한적인 행성, 위성에서만 가능.  생명체는 물이 필요하므로, 생명체가 발생할 수 있는 행성은 이 조건을 충족해야 됨 .

6 용해로서의 물 물 분자의 극성”. 산소 원자는 수소보다 더 많은 전자를 갖고있어 물 분자는 다른 원소를 쉽게 서로 끄는 성질을 갖는다. 즉 물은 주변으로 분자 내의 원소를 끌어 분자를 용해한다..

7 예 : 소금의 분해 물 분자의 극성으로 Na+ 와 Cl- ions을 둘러 싼다. 물 분자는 아래와 같은 방식으로 서서히 각각의 이온을 둘러 싸면서 소금을 분해 한다. . 

8 물 아주 좋은 완충물질 상당량의 열을 흡수해야 온도 변화 증발 하면서 많은 열을 뺏어 가므로 주변 온도 감소 물의 유동
증발 하면서 많은 열을 뺏어 가므로 주변 온도 감소 물의 유동 물 속에서 생명체에 필요한 성질 . 그렇지 안으면 , 호수는 밑에서부터 얼어 생명체를 죽게한다. . 표면으로의 유동으로, 물을 절연시킴 .

9 물을 액체로 유지하려면 지구 대기압에서 액체 물 : 온도 273 – 373도
(압력을 높이면 승화점이 647도까지, 그러나 생명 생성 환경에 다른 문제 유발) 압력이 낮아지면 낮은 온도에서 끓음. 액체를 유지하려면 충분한 압력이 필요 고산에서 요리할 때 더 긴 시간 요구 . 끓는 점이 낮기 때문 . 압력이 아주 낮으면 , 물은 얼음에서 직접 기화 (like dry ice CO2 가 지구대기압에서 처럼)  성간 고압에서는 생명이 만들어지기 더 어렵다. 지구상 생명체를 기준으로 복잡한 생명은 325K. 보다는 낮아야 할 것으로 추정(330도 이상에서 푸로테인과 다른 액체 (암모니아 NH3) : 지구 대기압에서 195 – 240도에서 액체 유지

10 적절한 온도가 필요 행성의 온도를 결정하는 요인?
모항성에서 오는 에너지 . 행성에서 다시 밖으로 방출하는 에너지 . 행성의 온실 효과. 지구의 경우 이 효과로 온도가 15% 증가. 항성의 밝기에 따라 일정 거리 영역에 생명체에 적절한 온도를 갖는 영역이 결정 , 이를 항성의 거주 가능 영역(habitable zone (HZ)이라 한다. . 이는 상당히 개략적인 추정이다.

11 거주 가능 영역– 우리는 이 런영역에 있는가? 긴 항성의 수명 안정된 궤도를 도는 행성 (일정한 온도 유지 ) 액체 물의 존재
무거운 원소 존재 – C, N, O, 등. 자외선으로 부터의 보호 Mars Earth Venus Mercury 0.5MSun star The Sun

12 은하에서의 거주 가능 영역 비슷한 방식으로 은하에서도 생명이 탄생하기 적절한 영역이 존재
은하의 중심부에서는 초신성 폭발이 너무 자주 발생한다. 은하의 바깥 부분에는. 금속 함량이 너무 적다.

13 태양의 변화 태양은 나이가 들 수록 서서히 밝아진다. 태양이 지금보다 젊었을 때, 태양의 밝기는 지금의 70%다. .
태양이 지금보다 젊었을 때, 태양의 밝기는 지금의 70%다. . 따라서 과거 지구는 20K 나 더 차가운 어름덩이 였다! 지구상 빙하기에는, 온도 변화는 단지 1%정도였다. . 28억년과 7억년 전에 지구가 빙하로 덮힌 증거가 있다. 아마 온실 가스의 변화가 있었던 것으로 추정. 이는 거주가능 영역이 시기에 따라 변화하므로 전에는 지금보다 거주 가능 영역이 작았을 것으로 추정. 정말 거주 영역은 단지 to 1.01 AU! 만일 지구가 1% 더 멀리 떨어져 있었다면 – 어름 덩이 이고 np ~ 0.1로 아주 작은 값일 것이다.

14 지구의 대기 최근 연구에 의하면 지구 대기는 계속 feedback mechanism.
CO2 cycles – 대기 와 대양을 순환 (buried sedimentary carbonate rock). Carbon 은 volcanoes로 방출. 바위의 weathering에 의해서도 바위에 CO2 제거 . Negative feedback process 온실 효과로 온도가 높아지면 대양이 증발, 비가 많이 오면, more weathering 그리고 대기의 CO2 감소, => 온도 감소.

15 생명에 의한 Feedback 생명체들은 바위의 weathering 을 증가시킨다.
J.E. Lovelock : 생명이 지구의 온도를 안정 어떻튼 negative feedback이 the habitable zone에 유용하므로 np 를 1 이상 추정( Earth chauvinism?)

16 낙과적? Carl Sagan : np > 3. 금성이 구름이 적었을 경우 (less greenhouse) 지금보다 온도가 낮아 생명에 적걸한 온도? 화성이 지금보다 구름이 많아, 온도가 높아 생명에 적절한 온도?. 물 이외에 용해가 작용한다면, 다른 행성의 위성에서도?

17 비관적? 온도 외에 다른 요소도 고려. 따라서 지구는 특별한 존재라고 보면 np ~ 0.1 중력 대기압?
행성이나 위성의 크기? 생명체 존재를 위해 달과 같은 위성이 필요? 조석력 필요? 달이 지구 자전을 감소시킨 것이 필요? 심한 충돌을 막기위한 목성, 토성필요? 따라서 지구는 특별한 존재라고 보면 np ~ 0.1

18 np 0.1 에서 3 그러면 fs: 그 항성의 행성계에서 생명이 나타날 수 있는 행성을 갖는 항성비율

19 생명체 행성 존재를 위한 항성 조건 금속함량 . 무거운 원소가 많은 항성에 행성이 있을 확률이 클 것이다.
금속함량 . 무거운 원소가 많은 항성에 행성이 있을 확률이 클 것이다. 항성의 주계열 수명. 장기간 일정 밝기. 그렇지않으면 행성의 온도가 급격히 변화. 또한 적어도 5 x 109 years 일정 온도 유지. 따라서 solar masses 보다 큰 항성들 제외! 그래도 90% 의 항성들.

20 생명체 행성 존재를 위한 항성 조건 최소 질량항성 : 행성 생성 때 항성 근방에 어름 한계가 생기면 지구형 행성을 생성될 수 없고 목성형 행성만 생성 또한 생명체 행성도 항성에 가까우면 항성에 의한 기조력이나 플레어 현상등에 의한 영향이 커지므로 생명체 생성에 부정적인 영향을 준다. 따라서 최소 질량 한계 about 0.5 solar masses,  25% 에서 50% 의 항성. 쌍성계 : 쌍성계에서 행성이 생성될 수 있으나. 두 별이 서로 상당히 떨어져 있거나 행성이 쌍성계 전체를 돌지 않는 한 이상한 궤도를 돈다.

21 Stellar Requirement Mass Limit Fraction OK Cumulative Fraction … 0.9
Heavy Elements … 0.9 Main Sequence 0.99 0.891 Main Sequence Lifetime M < 1.25 Msun 0.90 0.890 Synchronous Rotation/ Flares M > 0.5 MSun 0.25 0.200 Not a Binary 0.30 0.060 Wide Binary Separation 0.50 0.1

22 fs 따라서 0.06 에서 0.2. 따라서 ne ne = np x fs = (0.1-3) X (0.06 – 0.2)
따라서 에서 0.2. 따라서 ne ne = np x fs = (0.1-3) X (0.06 – 0.2) = (0.006 – 0.6)

23 N = R*  fp  ne  fl  fi  fc  L
Drake Equation Frank Drake N = R*  fp  ne  fl  fi  fc  L # of advanced civilizations we can contact # of Earthlike planets per system Rate of formation of Sun-like stars Fraction of stars with planets Fraction that commun- icate Fraction on which life arises Fraction that evolve intelligence Lifetime of advanced civilizations 10 Stars/year 0.34 ?

24 N = R*  fp  ne  fl  fi  fc  L
Drake Equation Frank Drake N = R*  fp  ne  fl  fi  fc  L # of advanced civilizations we can contact # of Earthlike planets per system Rate of formation of Sun-like stars Fraction of stars with planets Fraction that commun- icate Fraction on which life arises Fraction that evolve intelligence Lifetime of advanced civilizations 10 Stars/year 0.34 0.006 –0.6 Planets/system

25 지금까지 배운 내용 우주는 대 우주 폭발로 은하의 형성과 항성이 생성되어 항성생성과 동시에 생성되는 행성계
수소 헬륨을 만들고 … 은하의 형성과 은하내의 분자운에서 항성이 생성되어 무거운 원소들을 만들어 냈으며 항성생성과 동시에 생성되는 행성계 원시항성 주변의 티끌, 어름, 가스,가 뭉쳐 행성이 되는 원시 행성체를 만든다.

26 외계 생명을 지구상의 생명을 기반으로 추론 지구에서의 진화. 생명에 필요한 요소. 화학적 진화의 흔적 결국 생명의 출연?
행성에서의 생명출연은 복잡한 화학적 진화의 결과? 항성 생성과 같이 행성에서 생명 생성 자연 법칙의 자연스런 결과 구체적으로는, 아주 드문 복잡한 화학의 결과 ,

27 우주적으로 필연적인 결과? 생명체는 우주적인 관점에서 필연적으로 발생되는 결과인가?
마치 성간 분자운에서 은하, 항성. 행성이 생성되듯이, 행성에서의 화학적 진화는 분자들의 생성에서 자연적으로 생명을 만드는 것인가?

28 생명체의 기본원소들 지상 생명체 의 유기물의 95% 질량이 90개 원소중 4개가 차지
수소 (61% 사람의 경우) 산소 (26% 사람의 경우 ) 탄소 (10.5% 사람의 경우) 질소 (2.4% 사람의 경우) HOCN 은 생명체 기본 물질이기도 하지만 우주에 아주 흔하게 존재하는 원소 .

29 그 외 필수 원소들 HOCN 외에 생명체에 적은 양이지만 필수적으로 필요한 원소 :
Sulfur, magnesium, chlorine, potassium, sodium 이러한 원소들은 생명체 기관 질량의 0.1% 차지 바다 물에도 대략적인 생명체 기관 만큼 존재.  바다에서 생명체가 시작되었다는 것을 암시 지구상에서 그 후 진행되는 진화과정에서도 이를 암시?

30 추론 H,O,C,N 은 우주 어디서나 흔하다. 만일 생명이 정말 희귀 원소에서 시작되었다면 그 발생은 더욱 더 드물 것으로 기대 따라서 ET 역시 주로 HOCN을 기반으로 했을 것…. 생명의 이 4가지 주 원소가 다른 원소들과 합쳐 복잡한 것을 생성. 그러나 각 행성마다 다른 환경때문에 각 행성에서의 생명체는 기본의 HONC 화학에서 벗어난 독특한 것일 수 있다.

31 자연의 복잡성 생명체 분자들이 지구상의 생명체 만큼 복잡하고 신비스러울 것으로 추론 근본부터 따져보기 :
어떻게 복잡한 분자를 이루며? 어떻게 진화하나? 지구상의 생명체 만큼 복잡하고 신비스러울 것으로 추론 근본부터 따져보기 : 왜 HOCN 이 지구상 생명체의 기본원소가 되었을까? 이들 분자는 어떻게 형성되고 다른 원소와도 어떻게 형성하여 DNA, proteins, life를 만드나?

32 특별한 원소들인가 ? 지구상의 더 풍부한 원소들 대신 왜 H,O,C,N를 기반으로 한 생명체 인가? 이것의 장점은?
생명체의 형성이 그대로 있는 상태에서 형성된 것이 아니라는 것을 암시 H,C,N,O 의 선택은 생명 화학 (chemistry of life) 에 필수적 인 것을 암시 일반적으로 지구상 생명체는 탄소를 기반으로 한 생명체, 즉 탄소가 화학의 기본줄거리를 형성하고 있는 생명체 . 이것의 장점은?

33 왜 탄소를 기반으로 하는 생명체인가 ? 탄소 원소의 전자 구조는 긴 고리를 형성할 수 있게 한다.
원자들의 고리와 분자들의 고리 - 복잡성 생명에는 안정된 결합이 필요하면서도 부서질 수 있는 결합이 필요 물이 액체 상태인 온도에서 탄소 결합은 안정적이고도 부서질 수 있다. 유기 화학은 탄소화학에 집중된 특별 분야.

34 Bond, Carbon Bond 각각 6 의 양성자와 중성자 전자을 갖는 탄소 각 껍질에 전자분포 Pauli 의 배타원리
첫 K 껍질은 2개의 전자로 채워진다. 두 번째 L 껍질에는 2개의 준 껍질에 각각 2, 6개의 전자가 채워질 수 있다. 따라서 탄소는 2개의 전자가 K 껍질을 채우고 L 껍질의 안쪽 껍질에 2개를 채우고 바깥쪽 껍질에 2개만 채워져 4개의 전자가 덜 채워진 구조다. 따라서 탄소는 껍질을 채우기 위하여 4개의 다른 전자와 쉽게 결합 할 수 있는 구조다.

35 The Bond– Methane (CH4) 4개의 결합 구조를 갖는 원소는 많지 안으나 . 지구상에 더 많은 Silicon 도 4개의 결합구조를 갖는다.

36 More Bonds

37 And More

38 Bonding Variation ethane methane hexane cyclohexane isooctane

39 따라서 유일한가 ? 현재까지로는 지구상 복잡한 생화학의 복잡성은 탄소를 기반으로 하는 분자들에서 만 발생될 수 있다.
특히 액체 물이 필요한 것을 고려하면 화학 반응이 발생될 수 있는 온도를 제한하게 된다.

40 Nitrogen(질소) 실제로 유기 화학에 중심 역활 .
탄소와의 활발한 결합과 유기화합물에서 고리(chain)을 형성하는 성질때문에 생화학 결합물에 중요한 원소I

41 분자를 기반으로 한 생명체 지구상 생명체는 매우 다양하나 , 70% 물과 24% 4가지 거대 분자들:
프로테인 Proteins 핵산 Nucleic Acids 리피드 Lipids 카보하이드레이트 Carbohydrates 물론 단순 생명체, 바이러스(viruses) 같은 경우 핵산을 둘러싼 프로테인으로 됨