외계 생명체의 가능성과 드레이크 방정식
만약 외계에 생명체가 있다면 그런 생명체가 있는 천체의 수는 얼마나 될까?
칼 세이건은 그의 명저인 코스모스 Cosmos에서 우리 은하 내에 약 100만(10
6)개의 행성들에 지적인 생명체가 살고 있을 것이라고 주장했다.
반면, 혜성 연구의 선구자인 오토는 100개 정도라고 대답했다. 그러나 그들이 주장하는 외계 문명의 수가 어떤 과학적인 방법에 결정된 것이 아니라 상당히 직감에 의존하고 있다는 문제를 내포하고 있다.
기독교인과 그 종교관에 입각한 창조론자들은 성경의 경구에 매달려 해석하길 외계인은 없다고 주장한다.
외계문명의 존재에 대해서
나름대로 체계적인 수식을 제시한 사람이 외계 생명체 연구의 개척자인 드레이크이다. 그는 다음과 같은 논리로 외계 문명 천체의 수를 수식화했다. (하지만 이 방정식을 자세히 들여다보면 이 역시도 각각의 변수들이 주관적인 판단에 의해 값들(추정값)이 많이 변할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러니 이 방정식 또한 맹신할 것이 아니라 참고사항 정도로만 여기는 것이 좋을 것이라고 생각된다.)
드레이크 방정식은
페르미 역설과 밀접한 관련이 있다.
페르미 역설에 대해서는
모두 어디 있지？ 우주에 외계인이 가득하다면…이라는 책이 출판되어 있습니다.
위의 논리로부터 우리 은하 내의 행성의 수를 추정해 보려면 별들 중 몇 %가 행성을 지닐 것인지, 지닌다면 평균적으로 몇 개씩의 행성을 지니는지를 알아야 한다. 즉, 별들 중 반은 행성을 갖고 나머지 반은 행성을 갖지 않는다면
우리 은하 내에는 1000억개 ×50 % = 500억개의 별들이 행성을 갖고 있다. 그러면 행성을 갖는 별은 평균 몇 개의 행성을 갖고 있을까 ? 잘 모르지만 우리 태양을 예로 들면 9개의 행성을 갖는다고 볼 수 있다. 그래서
우리 은하 내의 행성의 수는 500억개 × 9개 = 4,500억개가 된다.(2) 모든 행성에서 생명체가 만들어지는 것은 아니다. 즉, 생명체가 만들어질 수 있는 여건이 되어야 되며, 그러한 여건을 갖추고 있다고 해서 꼭 생명체가 만들어진다는 보장도 없다.위의 논리를 우리 태양계에 적용시켜 보자 태양계의 9개 행성 중 3개(금성, 지구, 화성) 정도는 생명체가 만들어질 수 있는 여건을 갖추고 있다고 볼 수 있다. 그러나 현재 생명체가 있다고 확신하는 것은 지구 하나 뿐이다. 이 논리를 은하계 전체에 도입하면 생명체가 태어날 수 있는 환경의 행성은 9개 중 3개 이므로 1/3의 확률이고, 그들 3개 중에서도 정말로 생명체가 만들어지는 것은 또한 1/3이다. 그래서 우리 은하 내의
생명체가 만들어질 가능성이 있는 행성의 수는 4,500억개 × 1/3 = 1,500억개이며, 다시
생명체가 만들어지는 행성의 수는 1,500억개 × 1/3 = 500억개가 된다.
(3) 어떤 행성에서 생명체가 만들어진다고 해서 모두 인간같은 지적인 생명체로 진화된다고 볼 수는 없다. 나아가 지적인 생명체로 진화했다고 할지라도 그들이 우리 지구와 교신하려면 그 만큼 우수한 기술을 가질 때까지 발전할 수 있을지도 의문이다. 나아가 외계와의 통신 기술을 갖은 상태를 얼마나 지속한 후 멸망하는 지도 알아야 한다.위의 글로부터 우리 태양계는 지구가 유일하게 생명체를 보유한 행성이며(확실하지는 않음), 지적인 생명체를 거쳐 외계와 통신이 가능한 상태까지 왔다. 따라서 태양계를 모델로 택하면 생명체가 만들어진 행성에서 외계와의 통신이 가능한 단계까지 갈 확률이 100 %이다. 즉,
외계와 통신이 가능한 행성의 수는 500억개 × 100 % = 500억개이다. 사실은 이보다 더 적을 것이다.
(4) 우리 인간은 앞으로 얼마나 오래 동안 문명을 유지할 수 있을까?만약 우리 인간이 앞으로 200년 정도 더 문명을 유지할 수 있다면, 그리고 우리 은하의 나이를 100억년이라 가정하면 외계와 통신이 가능한 행성이 현재 발견될 확률은 200년/100억년이므로, 현재 외계와 통신이 가능한 행성의 수는 결국 500억개 × (200년/100억년) = 1,000개가 된다.
앞에서 유도한 값은 아주 부정확 값이다. 도입된 많은 확률이 상당히 부정확하며, 현재로서는 정확한 추정이 불가능하다. 어떤 것은 지나치게 높게 추정되었을 것이고, 또 어떤 것은 지나치게 낮게 추정되었을 것이다. 예를 들면 비록 통신이 가능한 문명이 200년밖에 지속할 수 없다 할지라도 그런 문명은 대개 은하 생성 초기에는 없었고, 오히려 은하가 지금처럼 상당히 진화된 상태에서 나타날 것이다. 그런 면에서 보면 확률은 높아진다. 그러나 기타 변수들은 지나치게 높게 잡았을지도 모른다. 어째든 앞의 과정을 수식으로 표현하면 다음과 같으며, 이를 드레이크 방정식이라 한다.
N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × LN：우리은하 안에 존재하는 교신 가능한 지적 문명체 수
R*：우리은하 내에서 별들이 1년에 몇 개나 생성되는지를 나타내는 숫자이다. 일종의 별 생성속도인 셈이다. 구체적으로는 우리은하내에 있는 별들의 수를 별의 평균수명으로 나눈 값이다. 우리 은하에는 1천억개의 별이 있고 보통 별의 수명이 1백억 년이므로 R*값은 10으로 추정한다.
fp：별 중에서 행성을 가지고 있는 확률이다(p : planet). 별의 형성이론에 따르면, 원시성운으로부터 태양 정도의 질량의 별이 탄생할 때 행성계를 가지는 것은 보편적인 현상이다. 그러나 태양형 별의 반은 쌍성을 형성하는데, 이때에는 행성계를 만들기가 어렵다.
ne：행성계 내에 생명이 살 수 있는 행성의 수이다. 생명이 살수 있는 행성이란 우선 표면이 단단한 지구형 행성이어야 하며, 별과의 거리가 적당히 떨어져 있어 생명체가 의지할 수 있는 적정한 에너지가 공급되어져야 한다.
fl：행성 내에 생명이 탄생할 수 있는 확률이다(l : life). 생물학자들 중에는 앞에서와 같은 조건이면 생명이 탄생하는 것은 필연이라고 주장하는 사람이 있는 반면에, 생명은 그처럼 쉽게 생겨나지 않는다고 주장하는 사람들도 있다.
fi：생명체가 지적 문명체로 진화할 확률이다. 미생물만 생기면 자연의 섭리에 따라 시간이 지나면서 지적인 생물이 태어난다고 할 때의 값이 1이다. 이것 역시 사람들마다 여러가지 값을 가질수 있음을 알아야 한다.
fc：지적 문명체가 다른 별에 자신들의 존재를 알릴 통신기술을 가질 확률을 의미한다(c : communication). 지구 문명은 20세기 초까지 다른 별과 통신할 만큼의 문명을 발달시키지 못했다. 물론 여기에서도 태양계 내에서 통신하는 것과 외부 항성까지 통신하는 것과는 큰 차이가 있음을 고려해야 할 것이다.
L(length)：기술문명이 존속하는 기간이다(단위 : 년). 진화된 문명이 영원히 존재할 수는 없는 일이다. 인류문명만 하더라도 기술 문명을 갖추기 시작한 것은 1백년밖에 되지 않는데 핵전쟁이라든가, 소행성 충돌등의 요인으로 소멸할 가능성은 많다.
천문학적 계수：R*, f
p, n
e생물학적 계수：f
l, f
i사회학적 계수：f
c, L
[추정값]각각의 값에는 해답이 없기 때문에, 개인마다 상당히 다양한 값이 나왔다. 드레이크가 1961년에 사용한 값은 다음과 같다.
R* = 10/년
fp = 0.5
ne = 2
fl = 1
fi = 0.01
fc = 0.01
L = 10,000 년
원본 출처：
http://kao.re.kr참조 사이트：
위키 백과사전
비논리적이고, 비합리적이며 지극히 주관적인 단정이지만 외계문명의 존재유무와 그 수에 대해서는 '아무도 모른다'가 정당한 답이지 않을까 싶다.
아이작 아시모프의 우리 은하에 존재하는 지적 생명체에 대한 13단계
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아이작 아시모프는 우리 은하에 존재하는 지적 생명체에 대해 13단계로 구분하여 그 수를 헤아리고 있다. 이는 드레이크 방정식과 유사하다는 생각이 들기도 한다. 13단계를 차례로 나타내면 다음과 같다.
- 우리 은하 내의 항성의 수는 3,000억개
- 우리 은하 중의 행성 계의 숫자는 2,800억개
- 우리 은하에서 태양과 같은 별들을 공전하는 행성계의 수는 750억개
- 우리 은하 내에 생명체가 실제로 살 수 있는 생물권을 갖는 태양과 유사한 별의 수는 520억개
- 우리 은하에 있는 태양을 닮은, 유용한 생존대를 갖고 있는 제 2세대 종족 1의 별의 수는 52억개
- 우리 은하에서 유용한 생물권을 갖고 있으며 그 생물권 안에 한 개의 행성이 돌고 있는 제 2세대 종족 1의 별의 수는 26억개
- 은하 내에 있는 생물권을 갖고 있으며 그 속에 지구와 같은 행성이 존재하는 태양과 유사한 2세대 종족 1의 별의 수는 13억개
- 우리 은하 내에 존재하는 생존 가능한 행성의 수는 6억 5천만개
- 우리 은하 내에서 생명체를 갖고 있는 행성의 수는 6억개
- 우리 은하에서 다세포 생물을 갖는 행성의 수는 4억 3,300 만개
- 우리 은하에서 육지 생물이 풍부한 행성의 수는 4억 1,600 만개
- 우리 은하에 존재하는 기술 문명이 발달된 행성은 3억 9,000 만개
- 우리 은하에서 현재 기술 문명이 존재하고 있는 행성의 수는 530,000개
이는 아시모프가 내린 결론만을 발췌한 것이다. 그럼 이런 수는 어떻게 나오게 됐을까?
여기서 아시모프는 보편성의 원리를 많이 이용하였다. 태양계와 다른 항성계를 비교함으로서 어떤 수치를 얻어내었다.
우선 첫 번째 결론에서 항성의 수는 3,000억 개라 하였는데, 이는 윌리엄 허쉘 (1784)에서부터 샤프리(1920)를 거쳐 로버트 줄리우스 트러플러(1930)에 의해 최종적으로 밝혀진 은하계의 구조에서 알 수 있다.
이 중에서 태양과 행성들이 같은 먼지와 가스의 소용돌이에서 모두가 같은 과정을 통해 형성되었다는 성운설에서 우주에는 항성이 존재하는 만큼 많은 행성계가 존재하여야 하므로 엄청나게 많은 행성계가 존재하여야 한다. 또한 태양을 생각해 볼 때 태양은 매우 느리게 자전하고 있으며, 각운동량의 98%의 질량이 엄청나게 작은 행성들에게 있다는 것이다. 만약 각운동량이 어떤 과정을 의해서 행성들이 만들어질 때 태양에서 행성들로 옮겨져 갔다면, 다른 항성의 경우에도 행성으로 각운동량이 전달되었다고 생각하는 것이 합당하다. 그렇다면 어떤 항성이 행성계를 구성하고 있기만 하면 상대적으로 자전 속도가 느려야만 할 것이다. 자전 속도는 스펙트럼을 통해서 관찰한다. 천문학자 크리스찬 토마스 엘베이는 무거운 별들이 더 빨리 자전하는 경향이 있음을 발견했다. 따라서 O, B , A ,F형 별들이 빨리 자전하며 G, K, M형 별들이 느리게 자전한다. 그런데 무거운 별의 수가 그리 많지 않으며 전체의 약 7%에 불과하다. 따라서 93%의 별들이 행성계를 가질 수 있다고 여겨진다. 여기서 두 번째 결론이 얻어진다.
기조력이 너무 크게 되면 지구와 달처럼 한쪽 면만을 보게 된다. 이렇게 되면 생물체가 살 수 없게 될 것이다. 또한 플레어가 발생하는데 이것이 그 별에서 나오는 빛과 열을 50% 정도까지 증가시킨다면 그 별의 행성은 생물체가 살아가기에는 너무 불규칙적이다. 또한 행성이 너무 작을 경우 기조력의 영향으로 생물체가 살아갈 수 없게 된다. 따라서 질량이 적어도 태양의 1/3은 되어야 한다. 이러한 것을 따져 봤을 때 은하계 전체에서 25%가 태양과 같이 생명체의 배양기로서 적합할 만한 별들이다. 여기서 세 번째 결론이 얻어진다.
세 번째 결론에서 750억개에 해당하는 별들을 분리해 보면,
300억개 : 단독성
250억개 : 작은 별과 연성계를 형성
180억개 : 각각이 복합 쌍성계를 이룸
20억개 : 거성을 갖는 쌍성계를 형성
과 같이 된다.
이 중에서 다시 한 번 우리 은하계 내에 유용한 생물권을 갖는 별의 수를 헤아려보면 우선 단독성으로 존재할 때 300억개, 180억개의 쌍성 중에 1/3인 60억개, 연성계를 이루고 있는 250억개의 별들 중에서 2/3인 16억개의 별을 합한 개수이다. 이는 행성의 공전 궤도상의 문제로 인한 것이며 여기서 네 번째 결론이 얻어진다.
우리 태양계의 행성 계와 유사한 행성 계를 형성할 수 있기 위해서는 새로운 별, 즉 오래된 별들이 죽음을 맞이 하면서 생산하여 퍼뜨린 복잡한 원소들을 포함하는 가스 구름에서 만들어진 별이어야 한다. 태양은 50억년 전에 탄생되었으며, 이때 은하계는 이미 탄생한지 100억년이 지난 상태였고, 수억 개의 항성이 이미 죽은 후이므로 그때 태어난 태양은 새로운 별, 즉 2세대 별이다 . 가스 구름으로부터 얼음 덩어리, 바위, 철 등이 형성된 원소를 포함하는 2세대 별이 형성되었다. 그러므로 생명체의 배양기가 될 수 있는 태양과 유사한 2세대별인 종족 2의 별만 생각하면 된다. 여기서 우리는 다섯 번째 결론을 얻는다.
미국의 천문학자 '스테픈 H. 돌'의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 살펴 볼 때 만약 생물권이 상당히 넓다면 적어도 한 개의 행성은 실제로 생물권 내의 어딘가에서 형성되어야 한다. 이때 확률은 거의 1이다. 반면에 하트가 지구의 과거 역사에 관해 컴퓨터 시뮬레이션한 것이 옳다면 거의 한 개의 행성도 생물권 내에서 형성될 가능성은 없어 생물권 내에 행성이 존재할 가능성은 0이다. 이는 너무 극단적인 것이기 때문에 이 두 결과의 중간인 1/2로 그 확률을 잡으면, 여섯 번째 결론이 나오게 된다.
어떤 천체가 생물체가 살기에 알맞은 대기를 잡아두기 위해서는 어느 정도의 질량이 되어야 한다. 간단히 말해서 생물권 내에 존재하는 적당한 질량의 천체는 지구와 유사한 성질을 갖게 되는 것이다. 생물권 내에 존재하는 두 개의 천체 중에서 하나가 지구와 유사하다고 하면 일곱 번째 결론이 나온다.
자전 속도, 대기, 자전축과 같은 여러 가지 조건들을 생각해 보면 자전 속도는 밤과 낮의 주기에 관여하고, 대기의 두텁고 얇고에 의해서 에너지원인 빛의 세기를 조정하는 등의 생존 가능한 환경을 만드는데 이러한 조건 들이 제약이 된다. 생존 가능하다고 하는 것은 이러한 모든 조건들을 만족한다는 것으로, 만약 모든 지구와 같은 행성들에서 둘 중의 하나가 생존 가능하다고 한다면, 여기서 우리는 여덟 번째 결론을 내릴 수 있다.
지구가 생성된지 10억년이 지나서야 생명체가 탄생하였다고 하지만, 이는 겨우 전 생애의 8%에 불과하다. 보편성의 원리에 의해 일반적으로 거주 가능한 행성으로서 평균 수명의 8% 정도가 지난 것은 생명체가 탄생한다고 볼 수 있다. 항성이 일정한 비율로 생성된다고 하면, X%의 거주 가능한 행성은 아직 그 나이가 X밖에 되지 않았다는 것을 뜻한다. 이것은 8%의 거주 가능 행성이 생명이 탄생하기 위한 나이가 아직 안 됐다는 것을 뜻한다. 다시 말해서 92%의 거주 가능한 행성은 이미 생물이 살고 있을 만큼 진화했음을 뜻한다. 여기서 우리는 아홉 번째 결론을 내릴 수 있다.
지구에 복잡한 생명체가 탄생한 것은 지구 탄생 후 40억년이 흐른 후이다. 보편성의 원리를 적용하면, 지구와 꼭 닮은 행성들에게도 이것을 적용시키면, 그들 중 1/3은 단세포 생물 밖에 발달할 수 없는 젊은 행성들이다. 여기서 우리는 열 번째 결론을 얻는다.
지구 생명의 36%가 지난 43억 년이 지나서야 비로소 많은 육지 생명이 나타났다. 보편성의 원리에 의해 생존 가능한 행성의 64%가 풍부한 육지 생명체를 가지고 있다고 말할 수 있다. 여기서 우리는 열 한 번째 결론을 얻는다.
또한 문명이 나타나기까지 지구에는 46억 년의 세월이 흘렀고, 이 시간은 지구 수명의 40%에 해당하는 것이다. 여기서 생존 가능한 행성의 60%가 문명을 발달시킬 만큼의 충분한 시간이 흘렀다고 볼 수 있다. 여기서 우리는 열 두 번째 결론을 얻는다.
마지막으로 지구와 같은 행성에서 문명이 처음으로 탄생한 후 그 행성이 생물의 고향으로 유지될 수 있는 시간의 1/740 동안만 문명이 지속된다. 여기서 우리는 마지막 결론을 얻는다.
결론으로 얻은 수치가 좀 크게 느껴지기도 한다. 드레이크 방정식과 비교해서 많은 차이를 보이고 있지만, 자기 나름대로의 기준을 가지고 계산한 것이다.
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