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천왕성과 해왕성의 궤도를 어지럽히는 미지의 행성이 확인되었다는 정보가 잇따르고 있다. 그 궤도와 크기는 어떤것인가. 태양계의 새행성의 정체를 검증해 본다.
 

태양계는 현재 태양에 가장 가까운 수성에서 부터 먼 가장자리에 있는 해왕성까지 모두 9개의 행성으로 이루어져 있다고 알려져 있다. 그런데 명왕성 가까이에 '10번째의 행성'이 존재한다는 보고가 세계 여러나라에서 잇따라 나오고 있다.
 

넓은 우주의 어딘가에 우리가 아직 모르고 있는 10번째의 태양계 행성이 있다는것이 사실이라면 그것만으로도 상당히 쇼킹한 뉴스가 아닐수 없다.

새로운 태양계 행성 「험프리」
 

10번째 태양계 행성존재설을 처음 발표한것은 NASA(미항공우주국) 제트추진연구소(JPL)의 '존 앤더슨'박사. 앤더슨 박사는 천왕성과 해왕성의 궤도를 1백50년 전 까지 거슬러 올라가 살펴본바 궤도가 일정하지 않고 약간 어긋나 있음을 알게 되었다. 그래서 이 궤도가 어긋나는 원인을 행성 탐사기 파이어니어 10호와 11호의 관측데이타를 기초로 조사했다. 그러나 그 원인이 되는 인력의 근원은 어디에서도 찾을수 없었다.
 

파이어니어는 10여년 전에 지구를 출발하여 지금은 태양에서 아주 먼 위치에 있다. 그만큼 미지의 인력권의 영향을 받기쉽다. 그러나 미약한 인력을 검출할 수 있는 능력도 있다. 그런 파이니어로 찾아 낼 수 없었다고 하면 그 궤도를 어긋나게 한 것은 대체 무엇인가.
 

거기서 앤더슨 박사는 천왕성과 해왕성의 궤도를 재점검하여 보았다. 그 결과 궤도가 미지의 인력의 영향을 받은것은 1810년에서 1910년 까지의 1백년 동안 만이었다는 것이 밝혀졌다.
 

이것을 기초로 앤더슨 박사가 추리하여 낸 답은 다음과 같은 것이다.
 

"그 원인은 아직 알려지지 않은 10번째 행성이다. 그 행성의 작용으로 천왕성과 해왕성의 궤도가 움직여진 것이다. 궤도를 움직일 정도이므로 그것은 상당히 큰 행성이다. 최소한 질량이 지구의 5배 정도는 되는 행성이다. 그러나 영향을 받은 것은 일정 기간만이므로 대단히 가늘고 긴 타원형이고 경사각이 큰 궤도를 가지고 있다. 그것이 천왕성과 해왕성에 접근한 1810년 부터 1백년 동안 궤도에 영향을 미쳤을 것이다"
 

이보다 한발 더 앞서 그 행성의 위치까지 계산하여 낸 학자도 있다.
 

미국 해군천문대의 'B.해리슨'박사가 그사람이다. 그가 독자적인 계산으로 산출하여 추정한 행성도 지구의 3~5배의 질량이며 공전주기가 약 8백년이나 되는 것이다. 그는 또 새 행성의 위치도 계산하여 냈다. 그리고 뉴질랜드에 망원경을 설치하여 10번째의 행성탐사를 계속하고 있다. 그만큼 확신이 있는지 그 별에 '험프리'라는 이름까지 붙여놓고 있다.
 

한편 소련에서도 새로운 설이 나왔다. '고르키'교육대학의 '아나트리 아르테므이예프'교수가 혜성의 궤도를 분석하여 예측한 것으로 앞의 두 학자의 것과는 크게 다르다. 명왕성 바깥에 2개의 거대한 행성(지구 질량의 50배와 60배)이 존재 한다는 것이다.
 

태양계에서 현재까지 가장 뒤에 발견된 것은 명왕성으로 1930년의 일이다. 그로부터 57년이 지났다. 영국 천문학자 '허셸'(F. W. Herschel. 1738~1822)이 자작 망원경으로 1781년에 천왕성을 발견한 뒤 새 행성이 발견되기 까지의 햇수는 '톰보'(C. W. Tombaugh. 1906-)가 명왕성을 발견하기 까지는 84년이 걸렸고 '요한갈레'(Johann G. Galle. 1812~1910)가 1846년에 해왕성을 발견하기 까지는 65년이 걸렸다. 이런 햇수 주기로 볼때 지금쯤 새로운 행성이 발견될때가 되지 않았나 하는 견해도 있다.

소행성 카론 소동
 

10번째 행성의 존재가 문제가 된것은 이번에 처음 비롯된것은 아니다. 9번째 행성 명왕성이 발견된 직후부터 다음 행성에 대한 탐색이 이미 시작 되었던 것이다.
 

9번째 행성 명왕성을 발견한것은 미국 '로웰'천문대의 톰보였다. 황도(黃道·ecliptic·외견상으로 본 태양의 궤도. 즉 지구에서 보아 태양이 지구를 중심으로 운행하는것 처럼 보이는 천구상의 큰 원. 적도에 대하여 23.5도의 기울기를 이루며 그 적도와 마주치는 점이 춘분점·추분점이다)부근에 초점을 맞춰 하늘의 사진을 계속 찍어나갔다. 그런 집념 끝에 세기의 발견으로 결실을 본것이다.
 

이 명왕성은 처음 예상했던것 보다 반 이상이나 가까운 곳에 있었는데도 대단히 어두운 별이었다. 즉 예상 이상으로 작아 반경이 지구의 약 3분의1, 질량은 지구의 0.23%밖에 되지 않았다.
 

처음에 태양계의 또 다른 새행성 존재문제가 제기된것은 해왕성의 궤도가 무엇엔가 어지럽히고 있다는 사실이 계기가 되어서 였다. 그것이 명왕성과 같이 적은 질량으로는 해왕성의 궤도가 꿈쩍도 하지않을 것이라는 것도 새 행성을 찾는 실마리가 되었다.
 

그렇다면 해왕성의 궤도를 혼란시키는 다른 미지의 행성의 존재를 예측하지 않고는 조리가 맞지 않는다는 결론이었다. 그래서 톰보는 명왕성을 발견한 이후에도 계속하여 정력적으로 새 행성을 탐색하였다. 그러나 그런 노력도 헛되게 새행성을 발견하지 못한채 끝내는 단념할 수 밖에 없었다.
 

그 뒤에도 여러가지 비슷한 설이 나왔다가는 사라지고 사라진 뒤에는 또 나오고 하기를 거듭했다. 그러는 사이에 이야말로 틀림없는 새행성이라고 소동을 벌이게 한 별이 하나 발견되었다.
 

소행성(小行星·asteroid·화성과 목성의 궤도 사이에 있는 많은 작은천체) 카론(charon)이 그것이다. 카론은 미국 팔로마천문대의 '코와르'박사가 1978년에 처음 발견했다.
 

코와르박사는 당시 세계최대의 슈미트카메라를 써서 새로운 별을 찾아 황도부근을 수색했다. 그 관측 중에 양자리별 방향에서 저속으로 이동하는 천체를 발견한 것이다. 이어 이 별의 궤도를 조사했다. 그런데 이 별은 토성의 안쪽으로 통과하여 거기서 큰 호(孤)를 그리면서 천왕성 가까이까지 이르는 대단히 큰 궤도를 가지고 있음이 밝혀져 이런 궤도를 도는 별이 어떤 별인가 하고 대소동이 일어났다.
 

카론은 그 궤도가 대단히 크다는 점에서 이것은 분명히 태양계의 10번째 행성이라고 추측했다. 그러나 그뒤 직경이 1백~3백20km의 작은 별이라는 것이 밝혀지고 또 소행성대에서 목성의 섭동(攝動·태양이외의 천체의 영향으로 궤도가 움직여지는 현상)에 의해 멀리 튕겨날린다는데서 결국 소행성의 하나로 결론을 내리게 되었다.
 

소행성은 행성과 마찬가지로 일정한 주기로 태양의 둘레를 돌지만 주로 화성과 목성 사이에 있으며 가장 큰것의 직경이 1천km이고 대개는 1백km정도의 작은 별이다. 현재까지 확인된 소행성의 수는 3천7백8개이다. 그러나 카론처럼 큰 궤도를 가진것은 아직 발견되지 않았다.

태양계의 10번째 행성 발견의 노력은 이처럼 언제나 헛수고로 끝났는데 이번에는 어떻게 될 것일까.

언제 어디서 태어났는가?
 

이분야의 이론적으로 대표적인 견해부터 살펴보자. 현재의 태양계와 행성의 기원론으로 볼때는 지구질량의 몇배나 되는 미지의 행성이 존재한다는 것은 생각하기 어렵다.
 

토성보다 바깥쪽, 특히 명왕성 같이 멀리 가면 행성의 재료가 되는 물질의 밀도가 대단히 희박하여져 행성이 형성되는데 엄청나게 오랜 시간이 걸려 반경이 겨우 몇백km 정도의 별 밖에 생기지 않는다. 지구질량의 몇십배나 되는 행성이 만약 존재한다면 현재의 이론을 한번 더 고쳐 생각하지 않으면 안될것이다.
 

현재 태양계는 탄생 후 46억년으로 알려져 있으며그 시작은 가까이에서 일어난 초신성(超新星·Supernova)의 폭발이 계기가 되었다고 알려져 있다. 성간물질(星間物質·interstellar·은하계 안의 별과 별 사이의 공간에 떠 있는 매우 희박한 물질)사이에 소용돌이가 일어나 중심에 원시태양이, 그 주위에는 가스의 원반으로 이루어진 원시태양성운이 생긴다. 온도가 내려가면 가스에 함유되어 있던 먼지는 차츰 원반의 적도면으로 모이게 된다. 밀도가 큰 먼지가 집중 되므로 그 중력도 점점 커져 원반이 안정성을 잃고 덩어리가 되어 분렬한다.
 

이 덩어리(塊)를 미행성(微行星·planetoid)이라하며 반경 몇km에서 20km정도 되는 것이다. 그 수는 10조이상이나 된다. 이 수없이 많은 미행성이 태양 주위를 회전하면서 서로 충돌하여 파괴와 합체(合体)를 되풀이 해나가면서 차츰 커져 행성이 되어간다.
 

다만 이때 중요한것은 태양에 가까울수록 행성의 성장이 빠르고 멀수록 시간이 많이 걸렸다는 점이다. 예를 들면 명왕성 부근에서 천왕성(지구질량의 14.5배)정도의 크기가 되기 위해서는 1백억년 이상의 시간이 필요하게 되며 지구의 나이인 46억년 정도로는 명왕성 부근에서 지구질량의 몇배나 되는 행성이 생길수 없다는 것이다.
 

이와는 다른 이론도 있다. 그것은 현재 상태로는 생각하기 어렵지만 확률적으로는 있을수 있다는 관점이다.
 

예를들면 77AU(천문단위·1천문단위는 지구와 태양간의 거리 1억4천9백60만km)에 질량이 지구의 몇배나 되는 행성이 있다고 가정하면 다음과 같은것을 생각할 수 있다.
 

'보데의 법칙'(독일천문학자 J.E.Bode, 1747~1826·의 여러 행성과 태양과의 거리에 관한 경험적 법칙. 행성 중에서 가장 안쪽에 있는 수성까지의 거리를 4로하고 이하 3의 1배, 2배, 4배, 8배, 16배 등을 거기에 더하면 태양으로부터 각각의 행성에 이르는 거리가 된다는 것)에 의하면 77AU 지점에는 명왕성이 존재한다고 예측되고 있었다. 보데의 법칙이란 태양으로부터 행성까지의 평균거리를 AU로 나타내는 수열이지만 실제로 이 법칙이 적용되는 것은 천왕성까지로 해왕성 부터는 크게 차이가 났다(보데의 법칙 표 참조).
 

먼저 행성은 토성과 천왕성의 영역에서 성장하여 그 과정이나 완료 직후에 토성과 '클로스 인카운터'(근거리 접근)하게 된다. 그러면 우주공학에서 말하는 '스윙 바이'(Swing by·우주선이 행성에 접근했을때 그 인력으로 궤도가 변하여 항행하게 되는 것) 항법에 의해 궤도가 튕겨 올라가 멀리 날아가 버리게 된다. 이렇게 하여 질량이 지구의 몇배나 되는 행성이 77AU까지 멀리 날아가 버리는 일이 어떤 확률로 일어난다고 해서 이상할 것이 없다.
 

좀 더 작은 것. 예를 들면 지구 정도나 또는 화성 정도라면 10개나 20개 정도가 그렇게 되어도 이상할 것은 없으며 더욱 작은 위성이라면 그 수는 10의 몇 제곱이라는 방대한 것이 될 것이다.
 

시간적으로는 태양계가 탄생하여 1천만~1억년쯤 되었을 무렵, 행성이 한창 성장하고 있을 때 일어났을 확률이 가장 높다고 할 수 있다.
 

다만 이런 행성은 스윙 바이로 튕겨 올려지므로 이심률(離心率·eccentricity·타원 쌍곡선 포물선 따위의 곡선위의 점에서 초점에 이르는 거리의 비)이나 황도면에 대한 궤도의 경사각이 커진다는 것이 자연스럽다고 보고 있다.

형제별을 찾아서
 

이렇게 생각하여 보면 먼 쪽으로 튕겨 가버린 행성의 재료 부족 문제를 이론적으로 해소할 수가 있다. 그러나 그런 행성이 이론적으로 존재할 수 있다는 것과 그것을 실제로 확인하는 일 사이에는 문제가 우주인 경우 특히 그렇지만 큰 간격이 있다.
 

그렇다면 발견 가능성은 얼마만큼 있는가.
 

태양계 안에 멀리 있는 작은 천체를 계통적으로 좇아가보자. 명왕성보다 훨씬 먼 별이라고 하면 상당히 어둡다. 큰 망원경을 사용하면 상당히 어두운 별 까지도 보인다. 그러나 그것만으로는 보이는 범위가 극히 좁다. 광각의 슈미트 카메라는 그 점을 보충하여 주지만 그래도 대단히 곤란하다.
 

코와르는 태양계의 먼 천체를 찾아내려고 75분 노출을 되풀이 하여 황도 부근을 순서에 따라 관측하고 있다. 카론도 그런 과정에서 찾아낸 것이다. 시작한지 10년 이상이나 되어 지금은 3분의 2에 이르려 하고 있으나 아직 발견했다는 보고는 없다. 틈만 있으면 슈미트에 달라붙어 있는 와코르도 이런 상태다.
 

이와같이 깊게 살피려는 점에서는 와코르와 같지만 와코르보다 좀더 넓은 범위, 즉 황도에서의 각도로 보아 와코르의 15도에 비해 30도 정도까지 관측범위를 넓혀 추적하고 있는 학자도 있다.
 

그것은 지금의 태양계는 얇은 원반이지만 생성된 당초에는 좀더 넓은 범위에 흩어져 있은 것이 아닌가 하는 생각에서다.
 

최근에는 우주공간에 망원경을 가지고가 관측하려는 계획이 여러나라에서 추진되고 있다. 우주에서라면 공기의 요동이 없으므로 정밀도가 지상의 망원경의 10배 이상은 높을 것이다. 그렇지만 관측할 수 있는 시야가 좁다는 것이 난점이다.
 

하나의 별을 관측하는데 지금까지는 10년 이상 걸리던 것이 1년으로 끝날수 있게 되었다. 이렇게 나가면 새 행성이 발견될 가능성은 시간문제인것 같다.

태양계의 신비를 벗겨나간 행성탐사위성의 활동
 

태양계 행성 탐사위성의 활동은 1962년8월27일에 발사된 NASA의 마리너 2호(marinerⅡ)로 시작되었다. 마리너2호는 그해 12월14일 지구를 출발한지 1백9일만에 화성 가까이 3만3천km까지 접근하여 화성에 지장이 없음을 확인했다. 그뒤 계속된 마리너 시리즈에 의한 행성 탐사 미션은 모두 7회 실시되어 금성 화성 목성에 대한 데이타를 수집했다.
 

마리너 4호는 1964년11월28일에 발사되어 65년7월14일에 화성에서 9천8백km까지 접근, 21장의 사진을 촬영했다. 이어 마리너 5호는 67년6월12일에 발사, 10월19일에 금성 4천km까지 접근하여 대기의 주성분이 이산화탄소임을 확인하였다. 마리너 6호는 69년2월24일에 발사, 7월30일에 화성 3천4백km까지 접근, 75장의 사진을 촬영하였다. 마리너 7호는 69년3월27일에 발사되어 8월4일에 화성 3천4백km까지 접근, 사진 1백26장을 촬영하였다. 마리너 6호와 7호의 활동으로 화성 대기의 성분등이 거의 밝혀졌다. 그리고 71년5월30일에 발사된 마리너 9호는 11월13일 화성의 둘레를 도는 궤도에 들어가 7천장 이상의 사진을 촬영하고 거대한 화산이나 협곡을 발견했다. 또 남반구에는 오래된 크레이터가 남아 있으나 북반구에는 비교적 오래되지 않은 지형이 있음도 밝혀냈다.
 

그 뒤를 이은 파이어니어(Pioneer) 시리즈에 의한 행성탐사는 목성 금성 토성에 대한 것이었다. 1972년3월2일에 발사된 파이어니어 10호는 73년12월3일 목성에 13만1천2백km까지 접근하여 목성을 처음으로 관측한 탐사기다. 이 파이어니어 10호는 83년에 해왕성의 궤도 밖으로 나갔다. 그것은 태양계를 떠났다고도 볼수 있다. 사람이 만든 비행물체가 태양계 밖으로 나간것은 이것이 처음일 것이다. 이어 파이어니어 11호는 73년4월5일에 발사되어 74년12월2일 목성에 4만2천6백km까지 접근하여 파이어니어 10호와 함께 목성의 근접촬영을 처음으로 시작했다. 또 목성의 질량이나 에너지의 방사량, 대기의 구조나 운동등에 대한 정보를 수집하였다. 그뒤 79년9월1일에는 토성에 2만1천3백km까지 접근하여 토성과 그 위성의 사진 1백50장을 지구로 전송했다. 토성에서도 목성과 마찬가지로 내부에서 거대한 에너지가 방사되고 있으며 목성만큼 격렬하지는 않지만 비슷한 대기운동이 있음도 확인하였다.
 

1973년11월3일에는 마리너 10호가 발사되었다. 마리너 10호는 74년2월5일 금성에 5천3백km까지 접근하여 사진촬영에 처음으로 성공했다. 자장이 없다는 것을 재확인하고 금성이 거의 구형이라는 것도 밝혀냈다. 3월29일과 9월21일, 75년3월16일에는 수성에 접근하여 약3천7백장의 사진을 촬영하고 질량을 측정했으며 대기가 없음도 확인했다.
 

화성을 목표한 바이킹(Viking)1·2호는 1975년8월20일 발사된 1호활동으로 시작된다. 76년6월19일에 궤도에 들어가 7월20일 오비터에서 떨어져나간 랜더(착륙기)를 연착륙시키는데 성공했다. 75년9월9일에 발사된 2호도 76년8월7일에 궤도에 들어가고 9월3일에는 랜더 연착륙에 성공한다. 이어 오비터에 의한 관측으로 화성의 지형을 극히 미세한 부분까지 밝히고 지면 사진도 촬영했다. 그리고 화성에 생명이 존재하는가 하는 흥미깊은 테스트도 했지만 결과는 부정적이었다.
 

보이저(Voyager)1호와 2호의 발견은 아직도 우리의 기억에 새롭다. 보이저 2호는 1977년8월20일에 발사되어 79년7월9일에 목성 가까이 64만km까지 접근했고 81년8월25일에는 토성 10만km까지 접근했다. 1977년 9월5일에 발사된 보이저 1호는 79년3월5일 목성에서 27만6천4백km까지 접근하여 목성과 그 위성의 사진 5만장 이상을 촬영했다. 80년11월12일에는 토성에 12만3천7백km까지 접근하여 토성과 그 고리(링)와 위성사진을 촬영했다.
 

1978년에는 파이어니어 12, 13호가 발사되어 금성을 탐사했다. 5월20일에 발사된 12호는 12월4일 레이저 관측으로 표면 93%의 지형도를 만들었고 중력의 이상분포 등을 관측했다. 8월8일에 발사된 13호는 12월9일 대기와 표면에 대한 많은 정보를 수집했다.
 

최근에는 86년1월24일 오전 10시 보이저 2호가 천왕성에서 10만7천km까지 접근했다. 그리고 보이저2호는 지금 최종목표인 해왕성을 향해 쉬지않고 가고 있다. 보이저 2호가 해왕성에 접근할 예정일은 1989년8월24일.
 

이렇게 행성탐사위성은 행성의 베일을 하나하나 걷어내 나가고 있다. 그리고 10번째 행성발견에도 기대를 걸게한다.