[논문 리뷰] Earth Similarity Index and Habitability Studies of Exoplanets

Madhu Kashyap Jagadeesh|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 22.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 반경, 밀도, 탈출 속도, 표면 온도의 네 가지 물리적 변수를 사용하여 외계행성의 적응 가능성을 평가하기 위해 지구 유사성 지수(ESI)와 화성 유사성 지수(MSI)를 도입한다. 태양계 데이터를 활용해 관측 가능한 평형 온도와 관측 불가능한 표면 온도 사이의 관계를 유도함으로써, ESI > 0.8인 20개의 외계행성을 식별하였으며, 극한생물의 잠재성에 특화된 화성 유사성 지수(MSI)를 제안한다.

ABSTRACT

Study of exoplanets has been of considerable interest for Astronomers, Planetary Scientists and Astrobiologists. Analysis of huge planetary data from space missions such as CoRoT and Kepler is directed ultimately at finding a planet similar to Earth- the Earth's twin, and looking for potential habitability. The Earth Similarity Index (ESI) is defined to find the similarity with Earth, which ranges from 1 (Earth) to 0 (totally dissimilar to Earth). ESI can be computed using four physical parameters of a planet, namely radius, density, escape velocity and surface temperature. The surface temperature entering surface ESI is a non-observable quantity and what we know is only equilibrium temperature of exoplanets. We have established a relation between surface and equilibrium temperatures using the data available for the solar system objects to address the difficulty in determining surface temperature. From the ESI analysis, we have found 20 Earth-like exoplanets with ESI value above 0.8, which is set as the threshold. We are also interested in Mars-like planets to search for planets that may host the extreme life For example, methane-specific extremophile life form metabolism, for which a new approach, called Mars Similarity Index (MSI) is introduced. MSI is defined in the range between 1 (present Mars) and 0 (dissimilar to present Mars) and uses the same physical parameters as that of ESI. We introduced another new approach to study the potential habitability of exoplanets based on Cobb-Douglas Function, multi-parametric function. This did not yield any encouraging results.

연구 동기 및 목표

• 지구 유사성 지수(ESI)를 사용한 정량적 지표를 통해 지구와 가장 유사한 외계행성을 식별하는 것.
• 직접 관측이 불가능한 표면 온도를 추정하기 위한 과제를 해결하기 위해, 태양계 데이터를 활용해 평형 온도와의 관계를 수립하는 것.
• 극한생물 적응 가능성 평가를 위해 유사성 프레임워크를 화성 유사 행성으로 확장하기 위해 화성 유사성 지수(MSI)를 도입하는 것.
• 다중 매개변수 코브-더글러스 함수를 사용해 외계행성의 잠재적 적응 가능성을 평가하는 것이라도 하였지만, 유의미한 결과를 얻지 못함.
• 지구 및 화성과의 물리적 유사성 기반으로 외계행성을 체계적으로 순위 매기는 방법을 제공하여, 천문생물학적 탐색 우선순위를 지원하는 것.

제안 방법

• 반경, 밀도, 탈출 속도, 표면 온도의 네 가지 물리적 변수를 사용해 지구 유사성 지수(ESI)를 계산한다.
• 태양계 천체의 데이터를 활용해 관측 가능한 평형 온도(관측 가능)와 관측 불가능한 표면 온도(비관측 가능) 사이의 통계적 관계를 수립한다.
• 유도된 온도 보정을 적용해 외계행성의 표면 온도를 추정하고, 정확한 ESI 계산을 가능하게 한다.
• ESI와 동일한 네 가지 변수를 사용해 MSI를 도입하며, 1(화성 유사)에서 0(화성과 다름)으로 스케일링한다.
• 적응 가능성 모델링을 위해 다중 매개변수 코브-더글러스 함수를 테스트하지만, 유망한 결과를 얻지 못함.
• 지구 유사성 지수(ESI) > 0.8인 기준을 사용해 지구 유사 외계행성을 식별하며, 이러한 행성이 지구 유사 생명체를 지탱할 가능성이 가장 높다는 가정에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지식 있는 외계행성들과 지구 사이의 물리적 유사성 정도는 지구 유사성 지수(ESI)로 어떻게 정량화될 수 있는가?
• RQ2 외계행성에서 직접 관측이 불가능한 표면 온도를 추정하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 태양계에서 평형 온도와 표면 온도 사이의 관계를 외계행성으로까지 외삽할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 유사성 개념을 화성 유사 행성으로 확장하여 극한생물의 잠재적 적응 가능성을 평가하는 데에는 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ5 다중 매개변수 코브-더글러스 함수는 외계행성의 적응 가능성 평가에 신뢰할 수 있는 프레임워크를 제공하는가?

주요 결과

• 연구는 지구 유사성 지수(ESI) 값이 0.8를 초과하는 20개의 외계행성을 식별하였으며, 이는 지구와 높은 물리적 유사성을 지닌다는 것을 의미한다.
• 태양계 데이터를 활용해 평형 온도와 표면 온도 사이의 상관관계를 확립함으로써, 외계행성의 표면 온도 추정이 가능해졌다.
• 극한생물의 잠재적 적응 가능성 평가를 위해 보완적인 지표로 화성 유사성 지수(MSI)가 도입되었다.
• 적응 가능성 모델링을 위한 코브-더글러스 함수의 적용은 유망한 결과를 얻지 못했고, 최종적으로는 더 이상 진행되지 않았다.
• ESI 기반 순위 매기기는 후속 관측 및 천문생물학적 연구를 위한 우선순위 목록을 제공한다.
• 보정된 표면 온도의 사용은 지구 유사 외계행성을 식별하는 데 있어 ESI의 정확도를 크게 향상시켰다.