안녕! 태양계 주변의 (상대적으로) 작은 식구들
안녕! 태양계 주변의 (상대적으로) 작은 식구들
  • 이웃집편집장
  • 승인 2017.08.31 15:06
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그림 12. 명왕성과 명왕성의 하트 출처: NASA

이전 기사 보기 -> 기적 같은 존재 '지구'와 그 '형제'들

 

원제 : 우리 태양계로의 여행(4)

 

 

슬픈 명왕성(왜소행성들)

 

우리 태양계 모든 천체들에 대해서 인기 투표를 부친다면, 아마 명왕성이 단연코 1등을 하리라고 확신을 합니다. 달보다도 작은 크기이면서 소외된 특유의 막내 이미지를 가지고 있는 명왕성(Pluto)은 오랫동안 베일에 싸였던 존재였기에 사람들의 관심을 끌기엔 충분했습니다. 또한 억울하게도 행성의 지위를 잃었기에 동정 여론까지 조성이 되었습니다. 

 

로마 신화 지옥의 신인 플루토(그리스 신화의 하데스)의 이름을 따서 명명된 명왕성은 태양계의 막내동생이었습니다. 1930년 처음 발견된 명왕성은 이후 70여 년 동안 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성에 이은 태양계 아홉 번째 행성으로 분류되어 왔습니다. 

 

명왕성의 첫 발견 후부터 60여 년이 지난 1992년부터 해왕성 궤도 바깥에서 작은 천체들이 발견되기 시작하여 1,000개가 넘는 천체들이 발견되었습니다. 이들은 대부분 작은 천체였지만 2003년에 심지어 명왕성보다 더 큰 천체 에리스(Eris)가 발견되자 명왕성의 '행성 논란'이 일어나기 시작했습니다.

 

이에 따라서 국제천문연맹(IAU)은 2006년 8월 24일에 행성(planet)을 다음과 같이 정의하였습니다. 

 

첫째, 태양 주위를 공전하는 궤도를 가져야 합니다. 

둘째, 천체의 모양을 구형으로 유지하는 질량을 가져야 합니다.

세번째, 다른 행성의 위성이 아니어야 합니다. 

마지막으로 가장 중요한 요건인 궤도 주변의 다른 천체를 배제하여야 한다

 

1~3번째 조건은 만족하나 4번째 조건을 만족하지 못하는 천체를 왜행성(왜소행성, dwarf planet)으로 정의하였습니다. 명왕성이 4번째 조건을 만족하지 못하는 가장 큰 이유는 명왕성이 해왕성과 부분적으로 겹치는 타원형 공전궤도를 가지고 있기 때문이었습니다. 해왕성보다 질량이 훨씬 작은 명왕성은 공전 구역 내에서 지배적인 역할을 하지 못하고 있습니다. 이에 따라 명왕성과 에리스는 소행성 세레스(Ceres)와 함께 왜행성으로 분류되었습니다.

 

미국 항공우주국(NASA)에 따르면 일부 학자들이 '행성'의 정의를 새로 정립해 명왕성을 다시 행성으로 복귀시키는 방안을 추진 중이라고 합니다. NASA의 명왕성 탐사선 뉴허라이즌스 임무를 주도했던 앨런 스턴은 "과학적 분류와 사람들의 직관"에 맞는 행성의 새로운 정의를 최근 국제천문연맹(IAU)에 제안했습니다. 

 

이들은 기존 행성 정의가 태양 주위를 공전하는 것만을 행성으로 분류해 다른 항성 주위를 돌거나 은하계를 자유롭게 공전하는 것들을 포함시키지 못하고 있다고 주장합니다. 또 '공전 구역 내에서 지배적인 역할'이라는 조건 역시 새로 발견된 작은 물체들이 끊임없이 행성 공전궤도에 끼어드는 상황에서는 태양계 어떤 행성도 충족시킬 수 없다는 주장입니다. 

 

이들이 제시한 새로운 행성 정의는 "핵융합을 겪은 적이 없고, 충분한 자체중력을 지녀 궤도 매개변수와 무관하게 3축 타원체로 묘사될만한 회전타원형을 띤 항성 하위개념의 질량체”입니다. 하지만 자명하게도 힘들어 보입니다. 국제천문연맹 (IAU) 이 이 제안을 수용하여 새로운 정의가 적용된다면 지구의 달이나 토성의 위성 타이탄 등도 행성에 추가되어야 하기 때문입니다.

 

그림 13. 달. 출처: NASA

토성엔 달(위성)이63개나 있습니다

 

로마 신화 달의 여신인 루나 (그리스 신화의 셀레네) 의 이름을 따서 명명된 달 (Moon, 그리스어로 Luna, 라틴어로 Selena, 그림 13)은 지구에서 두번째로 밝은 천체입니다. 

 

달이 두번째로 밝은데에는 별다른 이유가 없습니다. 단지 지구에서 너무 가깝기 때문입니다. 지구로부터의 거리는 평균 40만km정도이며, 이는 지구에서 태양까지 거리의 400분의 1정도입니다. 또한 개기일식이나 개기월식이 일어나는 이유도 바로 우연의 일치입니다. 태양은 지구에서 너무 멀리있지만 달은 상대적으로 가까이 있기에, 지구에서 본 달의 직경과 태양의 직경이 비슷한 크기이기 때문입니다.

 

달의 자전주기는 약 27일, 공전주기도 비슷하게 약 27 - 29.5 일입니다. 달은 위성 치고는 상당히 큰 크기를 자랑합니다. 달은 지구에 조석 고정 (Tidally locked) 되어 있기에, 우리는 달의 한쪽면밖에 볼 수 없습니다.

 

달에 관한 재미있는 사실 하나는 동서양에서 달이 가지는 의미가 전혀 달랐다는 것입니다. 정확히 중세때부터 달라지기 시작하는데 동양에서는 음력을 (Lunar calendar) 쓰는 경우가 대부분이 었기에, 달이 하나의 신이었습니다. 특히나 한국의 경우엔 정월대보름, 한가위 등에 보름달을 보면서 한해 소원을 빌곤 했습니다. 

 

하지만 서양에서는 정반대의 의미이자 부정적인 의미였습니다. 보름달 아래에서 각종 마귀들이 축제를 벌인다고 생각을 했고, 보름달을 보면 미친다고 생각했습니다. 역시나 타로카드에서도 달 (The Moon) 카드를 정방향으로 뽑으면 불안과 동요, 거짓 등 부정적인것을 의미하고 역방향은 부정적인것들이 풀리는것을 의미합니다. 서양 영화나 드라마 같은곳에서 달을 오래 비추는 복선들이 종종 등장하는데, 이는 부정적인 사건이나 결말을 암시한다고 합니다.

 

달과 같이 행성 따위의 둘레를 도는 천체를 인공위성과 구분짓기 위해서 자연위성이라고도 부릅니다. 태양계에는 약 240개의 위성이 있는 것으로 알려져 있으며, 이 가운데 행성을 도는 것이 166개, 왜행성을 도는 것이 6개, 그밖의 태양계 소천체를 도는 것이 수십 개 있다고 알려져 있습니다. 목성형 행성들은 많은 수의 위성들을 거느리고 있으며, 그 가운데는 명왕성 보다도 크고 심지어 행성인 수성 과도 비슷한 크기의 천체도 있습니다. 반면 지구형 행성들은 위성을 상대적으로 조금 가지고 있는데, 심지어 위성을 갖지 않는 행성도 있습니다.

 

토성은 2008년 기준으로 벌써 약 63개 정도의 위성이 발견됐습니다. 그 중에서 이름 붙여진 것만해도 60개 정도이고 나머지 3개는 아직 토성의 위성으로 승인되지 않은 탓에 이름이 붙여지진 않았습니다. 토성의 달 중에는 심지어 지름이 수백미터정도밖에 되지 않는 위성 들도 있습니다. 하지만 큰 달 들은 왜소행성으로 정의할 수 있을 정도의 큰 위성 들도 있습니다. 가장 크고 유명한 토성의 위성은 타이탄이며 이 위성은 지구보다도 짙은 대기를 지니고 있어 질량이 큰(심지어 수성보다도 큰) 천체로 알려져 있습니다.

 

혜성, 소행성 그리고 먼지원반들

 

혜성은 순우리말로 '꼬리별(꼬리가 있어서)' 혹은 '살별(화살에 빗대어서)'이라고 부릅니다. 혜성은 우리 태양계뿐 아니라 다른 태양계에서도 중요한 천체 입니다. 혜성은 항상 태양 복사의 영향을 받아서 핵으로부터 발생한 코마(핵을 둘러싼 구름층)와 꼬리를 갖기 때문입니다. 영국의 천문학자 에드먼드 핼리가 최초로 핼리 혜성의 주기를 계산하고 다음 출현을 예견함으로써 이 역시 태양계의 천체임을 입증하였습니다. 핼리 혜성과 같이 혜성의 이름은 보통 발견자의 성을 붙입니다.

 

혜성은 영어로 Comet이라고 하는데 이는 그리스어로 kome, kometes는 머리털을 뜻하는 단어에서 유래된 이름입니다. 혜성 핵 주위의 가스층 코마(Coma) 또한 머리털을 뜻하는 라틴어 단어에서 유래되었습니다. 혜성의 핵은 대부분 얼음과 먼지로 구성되어 있으며 크기는 수km~ 수십km 정도입니다. 혜성의 기원은 태양계 외곽의 오르트 구름이라는 혜성의 밀집소로 여겨집니다. 혜성이 어떠한 이유로 인해 긴 타원의 궤도로 태양 근처로 떨어져 내려오면 태양의 뜨거운 온도와 태양풍의 영향으로 표면의 얼음과 먼지가 증발하며 꼬리가 생기게 됩니다.

 

혜성이 만약 지구에 가깝게 접근하여 지구 근처를 통과 한다면 멋진 장관을 연출합니다. 혜성이 지나가며 남긴 먼지 찌꺼기는 혜성의 궤도를 따라 이동하다가 태양풍에 의해 서서히 밀려나게 됩니다. 그 궤도 사이를 지구가 통과하게되면 태양풍에 반응하는 지구 대기와 같이, 혜성의 먼지들이 지구 대기와의 마찰을 일으키면서 지구로 낙하하게 됩니다. 이것이 바로 별똥별이라 불리우는 유성우입니다. 흔히 슈팅스타(Shooting star)라고 부르는 이 별똥별앞에서 우리는 소원을 빌곤 합니다. 혜성사진가로 유명한 박승철씨의 헤일-밥 혜성(그림 14) 는 우리에게 정말 깊은 감동을 준 사진이었습니다. 여러분도 이사진을 보면서 소원을 빌어보시는건 어떨까요?

 

그림 14. 헤일-밥 혜성 헤일-밥 혜성의 천체사진. 박승철씨(1964~2000, 한국 천체 사진작가)가 1997년 찍은 작품. 천재로 평가 받으며 수천여 장 천체 사진을 찍으며 이름을 날렸습니다. 출처: 박승철씨 천체사진

소행성(Asteroid)은 목성 궤도 및 그 안쪽에서 태양 주위를 공전하고 있는 행성보다 작은 천체들을 말합니다. 일부 소행성은 그 자신의 위성을 거느리고 있기에, 가스로 된 코마나 꼬리를 가지고 있는 혜성과는 다릅니다. 하지만 일부 소행성은 과거에 혜성이었다고 여겨집니다.

 

먼지원반은 별과는 약간 먼 거리에 형성되어 있는 고리 모양의 별을 둘러싸고 있는 원반입니다. 별을 둘러싸고 있는 띠도 시간이 흘러감 에 따라서 진화를 하게됩니다. 초기에는 원시 행성계 원반의 형태로, 후기에는 먼지 원반의 형태로 진화하 게 됩니다. 이 먼지 원반은 대부분 시간이 적당히 지난 (~ 10만년) 주계열성(Main Sequence star) 의 태양계에 나타납니다[11]. 이 때의 태양계는 행성들의 형성 및 진화가 모두 끝난 평화로운 태양계입니다. 먼지원반은 끊임없이 충돌하는 무수한 먼지나 파편으로 이루어진 원반입니다. 먼지원반은 심지어 행성을 포함 할 수도 있습니다. 2010년 현재 1000개 이상의 먼지 원반이 주계열성 주위에 존재하는 것으로 확인되었습니다.

 

그림 15. Formalhaut 별의 먼지 원반. 출처: Kalas et al. 2008

오르트 구름(Oort clouds)

 

오르트 구름은 우리 태양계를 껍질처럼 둘러싸고 있다고 여겨지는 가상의 천체집단을 말합니다. 네덜란드의 천문학자얀 오르트(Jan Hendrik Oort, 1900~1992)의 이름을 본따 붙여진 이름입니다.

 

오르트 구름(Oort cloud, 그림 16)은 태양으로부터 50,000AU 정도 떨어진 곳에 아주 자유롭게 놓여있을 것이라는 가설이 세워진 구상모형 혜성의 구름입니다. 50,000AU는 지구와 태양으로부터의 거리보다 50,000배나 먼 거리입니다. 간단히 말해서 태양계 밖의 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리별까지 거리의 1/4에 해당하는 거리입니다. 아직 인류가 유인우주선을 달까지 밖에 보내지 못했다는걸 생각하면, 얼마나 아득한 거리에 이 가상구름이 존재하는지는 상상도 못할정도 입니다. 

 

오르트 구름의 중심권 외부 범위는 태양계 중력의 영향에 따라서 구분하기도 합니다. 쉽게 말해서 오르트 구름의 존재를 고려한다면, 태양계의 범위는 흔히 생각하는 명왕성의 궤도 정도 범위보다도 훨씬 넓어집니다. 오르트 구름은 대부분 먼지나 얼음조각으로 이루어져있고 질량을 모두 합해도 겨우 지구의 5배 정도밖에 안 된다고 추정됩니다. 이처럼 거리도 멀고 구성하고 있는 천체의 크기도 작아서 실제로 존재하는지의 여부를 확인하기는 힘들지만, 혜성의 궤도 장반경과 궤도 경사각의 통계에 의존하여 오르트 구름의 존재를 추정하였습니다.

 

그림 16. 오르트 구름의 가상도 입니다. 출처: NASA

오르트 가설은 혜성의 성질을 설명하기 위한 것이었습니다. 현 태양계 궤도 안에서 불안정한 혜성의 안정적인 형성은 힘들것이기 때문에 태양계 외곽의 어딘가에 작은 천체들이 모여 있는 장소가 있을것이라고 추측을 한 가설입니다. 혜성의 궤도는 근본적으로 불안정한 편입니다. 이 때문에 결국 태양과 충돌해서 없어지거나 태양계 밖으로 완전히 튕겨나가게 됩니다. 태양계 외곽의 어느 부분에서 안정적으로 형성이 되던도중, 태양계 행성들의 인력이나 가까이 존재하는 항성의 영향을 받아서 “저장고”에서의 위치를 벗어나 혜성이 된다고 믿고 있습니다.

 

오르트 구름이 중요한 이유는 생명의 기원과 멸종 두 가지 모두에 관계되어 있을 수 있기 때문입니다. 혜성의 유기물질이 행성으로 날아들어서 지구상에 생명이 탄생 되었을 수 도 있고, 또한 공룡의 멸종에 혜성이 연결되어 있다는 수많은 가설들이 있기 때문입니다. 오르트 구름을 통해서 지구상의 수많은 궁금증들이 해결 될 수 있다는 사실, 놀랍고 무섭지 않으신가요?

 

각주

[11] 우리 태양도 적당히 시간이 지난 주계열성의 태양입니다. 따라서 우리 태양계에서도 소행성띠와 카이퍼벨트 두가지 종류 먼지원반을 볼 수 있습니다.

 

다음 글 보기 : 제 9행성과 우주탐사?!

 

<외부 기고 콘텐츠는 이웃집과학자 공식 입장과 다를 수 있습니다>

 

김민재(mkim@astrophysik.uni-kiel.de)

Institute of Theoretical physics and Astrophysics,

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Germany

- CARMENES scientific member

- FOR 2285 Research Unit “Debris Disks in Planetary Systems” member



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