태양계 행성이 형성될 때 원소 조성이 어떻게 생명체 발현에 영향을 미치는지, 이로써 생명이 가능한 행성 예측

자연계 수시 교과형 구술 면접 대비

[ 제시문 ]

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태양계 형성은 대략 45억 년 전에 일어난 것으로 알려져 있다. 거대한 가스와 먼지 구름인 원시태양 원반이 중력 축소를 통해 형성되었다. 원반의 중심에서 중력이 가장 강력하여, 가장 많은 먼지와 가스가 모여 태양이 만들어졌다. 그리고 남은 먼지와 가스들이 각각의 궤도에서 회전하며 서로 충돌하고 결합하여 행성을 형성했다.

가장 초기에 형성된 행성들은 그 질량, 크기, 거리 등에 따라 서로 다른 중력 작용으로 인해 자신의 위치를 찾아갔다. 태양에서 가까운 곳에서 형성된 행성들은 태양의 중력에 더 많이 영향을 받아 더 빠른 속도로 돌게 되었고, 거리가 먼 행성들은 더 느리게 돌게 되었다. 이 중력 잔여 작용고리의 영향으로 인해 행성들이 적절한 위치에 서서 현재의 태양계를 이루게 된 것이다.

행성들은 질량과 크기에 따라서도 달라진다. 질량이 크면 행성의 중력이 강해지므로 물질을 더 많이 끌어당길 수 있어서 행성의 크기는 더 커진다. 반대로 반경이 작은 행성은 중력이 약해져 물질을 적게 끌어당길 수 있기에 작은 체적을 유지한다. 그리고 행성의 해열파폭은 표면의 활동성과 관련이 있는데, 이는 인근 별에서 받는 복사에너지 및 지구 내부에서 방출되는 열에너지 때문이다. 이러한 각종 거대한 에너지의 작용은 행성이 그 자신의 위치를 찾아가는 데 결정적인 역할을 한다.

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행성의 조성은 주로 초기에 행성이 형성되는 방식과 이후 진화 과정을 통해 결정된다. 행성은 대체로 강력한 중력력에 의해 그 주변의 먼지와 가스를 끌어당겨 형성된다. 이렇게 형성된 초기 행성은 본질적으로 그 주변 환경의 화학적 조성을 반영한다. 

행성의 화학적 조성은 주로 행성 내부의 물질 순환과 화학 반응을 통해 결정된다. 가령, 지구의 경우에는 대기 내의 이산화탄소와 물의 존재로 인해 물이 상수도와 같은 곳에서 존재할 수 있었으며, 이는 생명의 발생에 필요한 화학적 조건 중 하나인 물의 존재를 가능하게 했다.

행성의 조성물 중에는 여러 원소와 화합물들이 있는데, 이들 중 일부는 생명 유지에 필수적이다. 생명을 형성하기 위해선 아이젠 및 헷지스 등의 중요한 원소와 화합물이 필요하며, 이들의 비율과 존재 형태는 생명의 존재와 진화에 큰 영향을 미친다. 물론, 이러한 조건이 충족되더라도 생명이 반드시 존재한다고는 보장할 수 없다. 하지만 이러한 조건들이 충족되지 않는다면 생명의 존재는 불가능하다.

따라서, 행성의 화학적 조성은 생명이 존재하는데 매우 중요한 요소로 작용한다. 그리하여 행성에 생명의 가능성을 탐색하려면, 그 행성의 화학적 조성을 정확히 파악하는 것이 필요하다. 이를 통해 우리는 여전히 알려지지 않은 다른 행성에서 생명의 가능성을 열어보는 여지를 가지게 될 것이다

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지구는 생명을 유지하는데 필요한 특별한 특성을 가지고 있다. 먼저, 지구는 과학적으로 "생명탄성"이라고 불리는 특성을 가지고 있어, 여러 변화와 위협에도 불구하고 생명의 다양성과 복잡성을 유지하고 확장하고 있다. 이를 위해 지구는 생명의 필수 요소인 물과 탄산가스, 그리고 산소를 보유하고 있으며, 이들은 지구의 대기, 수중, 지표에서 재분배와 재활용이 이루어진다.

또한, 지구는 아주 알맞은 온도를 유지하고 있다. 이는 일부는 햇빛이 지구 표면의 일부를 가열하면서 발생하지만, 주로 이온권, 오존층, 그리고 이와 같은 대기층이 지구를 외부 우주의 극한 환경으로부터 보호하며 일어난다. 그 결과 지구에서는 온도가 생명체의 존재를 가능하게 하는 적정 범위 내에서 유지된다. 

마지막으로, 지구는 그 자체로 거대한 생명체인 생태계를 구성하고 있다. 생명체들은 서로 상호작용하며, 각자의 역할을 수행하고, 끊임없이 변화하는 환경에 적응하며 생존하고 있다. 이런 지구의 특성들이 바로 생명체들이 세상에서 존재하고, 번성할 수 있게 하는 중요한 역할을 하는 것이다.

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[ 문제 ]

태양계가 형성되어 각 행성이 형성될 때, 각 행성의 원소 조성과 위치, 행성의 크기 및 해열파폭 등에 대해 설명하세요. 또한 이러한 원소 조성이 어떻게 생명의 발현에 영향을 미치는지를 예를 들어 설명하고, 이를 통해 생명이 가능한 행성을 예측할 수 있는 기준에 대해 서술하시오.

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[ 예시답안 ]

태양계의 형성은 약 46억 년 전, 방대한 분자 구름이 중력 붕괴를 통해 시작되었습니다. 이 구름의 중심부는 집중적으로 압축되어 태양을 형성하였고, 주변의 먼지와 가스는 원반을 이루게 되었습니다. 이 원반에서 각종 물질들이 모여 행성을 형성하게 되는 것이죠.

행성의 원소 조성은 크게 화학적으로 낮은 열에서 결정되었습니다. 태양에 가까운 곳이 더욱 열에 노출되어 높은 온도를 유지했기 때문에, 가벼운 원소들은 쉽게 기체 상태로 바뀌어 태양바람의 영향을 받아 밖으로 밀려났습니다. 반면 무거운 원소는 더 오래 고체 상태를 유지했으므로, 태양에서 가까운 곳에는 무거운 원소들이 주로 존재합니다. 따라서 태양에 가까운 곳에 형성된 행성(지구형 행성)은 철, 니켈 등의 무거운 원소로 구성되어 있고, 태양에서 먼 행성(가스 행성)은 헬륨, 수소 등의 가벼운 원소로 구성되어 있습니다.

그리고 행성의 크기는 물질의 양과 중력에 의해 결정됩니다. 중심에 충분한 질량이 집중하면 그 주변의 물질을 끌어당겨 행성을 형성하게 되고, 이 때의 물질의 양과 중력의 크기가 행성의 크기를 결정하게 됩니다.

이러한 원소 조성과 행성의 위치, 크기 등이 행성의 표면 환경 및 해열파폭을 결정하고, 이 환경이 곧 생명의 발현에 영향을 끼치는 것입니다. 예를 들어 지구의 경우 낮은 화학적 온도와 적절한 크기, 그리고 해열파폭이 일정한 범위 내에 있기 때문에 액체 상태의 물이 존재할 수 있었고, 이 액체 물은 생명체 발생에 필수적인 요소였습니다.

따라서 생명이 가능한 행성이란 행성의 원소 조성, 위치, 크기, 해열파폭 등이 지구와 비슷한 조건을 가지며, 특히 액체 상태의 물이 존재 가능한 환경을 가지고 있는 행성을 말합니다. 이는 드레이크 방정식에도 이와 같이 정의되어 있습니다. 갤럭틱 플레인을 통과하는 천체들의 관측 정보와, 천체 스펙트럼 분석을 통해 이러한 정보들을 얻어 생명이 존재할 수 있는 행성을 찾아내고 있습니다.

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[ 참고문헌 ]

자세한 내용에 대한 설명과 인사이트는 "Astrophysics for People in a Hurry" (Neil DeGrasse Tyson, 2017), "Potential for Life on Other Planets" (Edward J. Tarbuck, Frederick K. Lutgens, Dennis Tasa, 2017) 등의 자료를 참조할 수 있다.