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1월 19일 발사된 뉴호라이즌스(New Horizons) 우주선은 2015년 명왕성에 도착할 예정이다. 크기가 피아노만한 탐사선에 실린 7종류의 관측장비는 명왕성과 그 위성인 카론 표면의 지질학적 특성과 구성 물질의 종류, 대기의 구조와 온도, 성분 등을 탐사할 계획이다.

새로운 지평선을 연다는 의미의 우주선 이름은 아주 적절하다고 할 수 있다. 우선 명왕성으로서는 최초의 우주탐사선 방문이 된다. 명왕성 이후에는 태양계 형성의 비밀을 간직하고 있는 카이퍼벨트에 2016~2020년경 도달할 예정이다.
 

행성 X 의 발견?

명왕성은 어떻게 발견됐을까. 1846년 8번째 행성인 해왕성의 발견은 그 존재와 위치가 천왕성의 궤도운동에서 예측됐던 과학사의 기념비적 사건이었다. 그러나 해왕성의 발견으로도 완전히 설명되지 않는 천왕성의 궤도 오차 때문에 그 후 9번째 행성을 찾으려는 노력이 줄기차게 이어졌다.

20세기 초 이 대열에 뛰어든 미국의 아마추어 천문학자 퍼시벌 로웰은 이 미지의 행성을 ‘행성 X’로 불렀다. 그의 작업을 이어받은 클라이드 톰보가 1930년 사진자료를 분석하다가 우연히 명왕성을 발견함으로써 80년에 걸친 논란에 종지부가 찍히는 듯 했다. 그러나 명왕성은 질량이 달의 1/5 정도밖에 안되는 빈약한 천체라, 로웰이 생각했던 것처럼 천왕성이나 해왕성의 운동에 영향을 줄 수 없었다. 명왕성은 로웰의 ‘행성 X’가 아니었다.

그럼에도 명왕성의 발견은 대중의 열광을 불러일으켰고, 발 빠르게 편승한 월트 디즈니 영화사는 같은 해에 명왕성의 영어명인 플루토(Pluto)라는 이름의 다소 얼빠진 개를 만화영화의 주인공으로 등장시켰다. 처음 명왕성의 이름을 지을 때도 온갖 의견들이 난무했는데 당시 뉴욕타임스는 지혜의 여신인 미네르바를 제안했다. 결국 영국의 한 11살 소녀의 의견에 따라 명왕성은 로마 신화에서 지하세계를 다스리는 신인 플루토의 이름을 선사받는다.

명왕성에서 보면 태양조차 -18등급의 찬란하게 빛나는 별에 불과하다. 낮도 황혼의 어스름과 같으며 표면 온도가 영하 230°C로 공기조차 꽁꽁 얼어붙는 암울한 곳임을 감안할 때 11세 소녀의 통찰이 뉴욕타임스 기자보다 더 뛰어났다고 하겠다!

명왕성은 태양 주위를 한번 도는데 248년이 걸린다. 궤도가 타원형이라 1979~1999년의 20년 동안 해왕성보다도 더 태양에 가까워지는 바람에 9번째가 아니라 8번째 행성이 됐다. 명왕성은 너무 멀어서 허블 우주망원경으로도 표면이 그저 흐릿하게 보일 뿐 특징을 분간할 수 없다. 명왕성의 표면은 질소 얼음과 같은 서리로 덮여있을 것으로 추측되는데, 극히 밝은 부분과 극히 어두운 지역이 같이 존재한다. 어두운 지역이 우주선(cosmic ray)에 의한 광화학 반응의 산물인지, 원시 유기물질인지에 대해서도 의견이 분분하다.

명왕성의 자전축은 자신의 공전궤도면에 대해 120도나 기울어져 있다. 태양에 가까이 있는 동안 계속 햇빛을 받는 반구에서는 메탄과 같은 휘발성 물질은 응결해있다가 증발해 희박하게나마 대기를 만든다. 이 대기가 어둠에 잠긴 반대편 반구로 흘러가면 다시 응결하게 된다. 지금 탐사선이 명왕성을 방문해야 하는 이유도 이 때문이다. 명왕성이 타원궤도를 따라 점점 태양에서 멀어지고 있어 20년 안에 명왕성에 도달해야 대기가 서리로 다시 응결하기 전에 관측할 수 있다. 다음 기회는 200년 후에나 있다.
 

1. 46억년전 현재의 태양계 자리에는 구름 같은 성운과 티끌 등 성간 물질들이 널려 있었다(원시 태양계 성운). 태양계 성운은 우리 은하의 긴 나선팔 일부가 붕괴되면서 탄생했다.
2. 태양계 성운이 계속 수축하고 회전이 빨라지면서 성운은 편평한 원반 같은 모습으로 변했다. 원반의 중심부에 물질이 수축되며 뭉치기 시작했다.
3. 수축이 계속 진행되자 원반의 중심부가 높은 밀도와 큰 질량을 갖게 됐고 온도가 높아져서 핵융합 반응이 일어났다. 현재의 태양이 탄생한 것이다.
4. 태양 주위를 떠돌던 가스와 먼지 입자들이 모여 태양을 도는 9개의 행성과 그 주위를 도는 위성이 됐다. 가장 외곽에는 가스, 암석, 얼음 조각이 모인 카이퍼 벨트가 탄생했다.

명왕성의 동생 카론

1978년 발견된 명왕성의 유일한 위성인 카론(Charon)은 그리스 신화에서 죽은 영혼을 지하세계로 실어 나르는 뱃사공의 이름을 따왔다.

카론의 크기는 명왕성의 반절이 넘어 많은 천문학자들은 명왕성과 카론을 이중행성계로 간주한다. 더구나 태양계에서 유일하게 행성의 자전주기와 위성의 자전주기가 약 6일로 똑같다. 달이 우리에게 항상 같은 면만 보이는 것처럼 명왕성과 카론은 항상 똑같은 면만 서로에게 보여준다. 그런데다 명왕성의 자전주기와 카론의 공전주기도 같으므로 명왕성에서 보면 카론은 뜨거나 지지 않고 하늘의 한 곳에 붙박이처럼 꼼짝도 하지 않을 것이다.

질소와 메탄, 이산화탄소의 얼음으로 덮인 명왕성과는 달리 주로 물과 얼음으로 뒤덮인 카론은 아마도 거대한 스케이트장을 연상시킬 것이다. 카론의 표면 물질은 왜 명왕성과 다를까. 아마 카론이 명왕성보다 작아서 우주로 도망가는 가벼운 원소들을 붙잡을 수 없었기 때문일 수 있다.

카론의 기원은 우리 달과 마찬가지로 명왕성이 비슷한 크기의 다른 천체와 충돌하면서 튕겨 나간 물질이 뭉쳐 생성됐을 것으로 추측된다. 2005년 11월에 발표된 허블 우주망원경 관측결과에 따르면 명왕성은 카론 외에도 2개의 위성을 더 갖고 있을 가능성이 있다. 임시로 ‘S/2005 P1’과 ‘S/2005 P2’라는 이름을 얻은 이 천체들은 명왕성에서 카론보다 2~3배 더 멀리 떨어져 있다. 크기도 지름이 1200km인 카론에 비해 매우 작아서 100~200km 정도일 것으로 추산된다.

태양계 행성 중에서 가장 작은 명왕성은 어찌나 작은지 우리 달보다도 작다. 당연히 중력도 아주 미약하다 보니 지구에서 체중이 50kg이었던 사람이 명왕성에 가면 불과 4kg밖에 나가지 않는다.

명왕성의 궤도 역시 매우 특이하다. 다른 행성(해왕성)의 궤도를 가로지르는 명왕성의 궤도는 태양계에서 유일하다. 또 공전궤도면이 황도면(태양의 적도면)에 대해 17도만큼 크게 기울어져 있다. 이런 이유 때문에 한 때 명왕성이 해왕성의 위성이었다가 어떤 이유로 튕겨 나온 게 아닌가 하는 의심도 받았다.

명왕성이 어떤 물질로 이뤄져 있는지는 알려져 있지 않지만 밀도(2g/㎤)로 미루어봐 얼음과 암석의 혼합체인 것 같다. 다른 암석행성들(수성, 금성, 지구, 화성)은 태양에 가깝게 태양계 안쪽에 위치한 반면, 태양계 바깥에는 기체행성들(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)만 있는데, 명왕성은 개밥에 도토리처럼 어느 쪽에도 끼지를 못한다.

여러 의구심에도 얼마 전까지 9번째 행성으로 명왕성의 공식적 위치는 확고부동했다. 그러나 1992년 ‘1992 QB1’이라는 소행성 크기의 얼음 천체가 해왕성 너머 태양계 외곽에서 발견되면서 그 위상이 흔들리기 시작했다. 그 이후로 거의 1000개에 달하는 비슷한 천체들이 발견되면서, 이들이 바로 1950년 제라드 카이퍼가 예측했던 카이퍼 벨트에 속하는 소행성들이라는 사실이 확인되었다. 명왕성은 상대적으로 크기가 크다는 점만 제외하면 이들 카이퍼 벨트의 천체(QBO)와 전혀 차이가 없었다. 결국 명왕성은 어쩌다 길을 잘못 들었던 혜성 내지는 소행성이었던 셈이다.
 

태양계 형성의 비밀을 쥔 카이퍼 벨트

1999년 국제천문연맹은 명왕성이 행성임을 거듭 선언했지만, 일부 천문학자들은 여전히 명왕성은 행성으로서 자격미달이라고 주장한다. 사실 화성과 목성 사이의 소행성대에서 가장 큰 세레스는 행성이라고 부르지 않으면서, 왜 카이퍼 벨트에서 가장 큰 명왕성만 행성이라는 명예를 받아야 한단 말인가.

그나마 명왕성이 카이퍼 벨트의 천체 중에서는 가장 크다는 사실로 위안을 삼았지만, 2005년 7월 태양에서 97AU 떨어진 거리(명왕성은 태양에서 40AU)에 있는 ‘2003 UB313’이라는 QBO가 명왕성보다 훨씬 클 가능성이 대두됨으로써 명왕성의 위치는 한층 더 추락하게 될 상황에 놓여있다. 발견에 참여한 천문학자들은 이 QBO를 10번째 행성으로 인정해달라고 주장하고 있어서, ‘행성’을 어떻게 정의할 것인가에 대한 논란은 앞으로도 계속될 전망이다. 점성술에서 전갈자리의 운명을 좌우하는 명왕성이 행성의 자리에서 밀려나면 ‘오늘의 운세’를 파악하기도 난감해질 것 같다.

제라드 카이퍼가 처음 카이퍼 벨트의 존재를 제안했던 이유는 핼리 혜성처럼 공전주기가 200년보다 짧은 혜성들이 모여 있는 공급처라는 의미였다. 태양에서 거리에 따른 분포를 보면, 해왕성이 있는 30AU에서 시작하여 43AU 근방에서 최대 밀도를 보이다가 밀도가 급격히 감소하면서 100AU까지 이어진다.

이 영역 안에 수백만~수천만 개의 얼음과 암석으로 이뤄진 혜성과 소행성들이 모여 있다고 여겨진다. 현재까지 알려진 QBO의 수와 크기를 감안할 때, 지름이 100km 이상인 소행성의 수는 7만개 이상일 것으로 추정되고 있다. 이는 화성과 목성 사이의 소행성 수보다 수백 배 더 많은 것이다. 카이퍼 벨트 전체의 질량은 지구의 약 1/10에 해당하리라고 추산된다.

QBO들은 태양계의 형성 초기에 다른 행성들을 형성하고 남은 잔해인 미행성으로 보인다. 태양에서 아주 멀리 있어 태양계 형성 당시의 환경을 그대로 보존하고 있어서 태양계의 기원에 대한 힌트를 줄 것으로 기대되고 있다.

뉴호라이즌스가 이런 여러 가지 의문점에 대해 답을 줄 수 있을지 사뭇 기대된다.

AU :천문학에서 거리를 재는 단위의 하나. 지구에서 태양까지의 거리가 1AU다.

해왕성은 왜 멀리 있을까 - 목성에 튕겨나간 태양계 형제들

작은 지구형 행성인 수성, 금성, 지구, 화성이 태양 가까이에 만들어진 반면 거대한 목성형 행성인 목성과 토성은 왜 태양에서 먼 거리에서 생겨났을까.

태양계가 처음 형성될 당시 회전하는 거대한 분자구름이 수축하면서 만들어진 원반의 중심에는 태양이, 바깥에는 행성이 만들어졌다(36~37쪽 태양계 탄생 일러스트 참조). 행성의 생성 과정을 설명하는 이론들 중에서는, 원반을 구성하는 고체 덩어리들이 계속되는 충돌을 통해 뭉치면서 소행성과 비슷한 미행성으로 성장했다는 설이 유력하다.
 

태양 근방은 너무 뜨거워서 금속이나 규소 등 무거운 원소만 고체로 존재할 수 있다. 그러나 목성이 있는 5AU(1AU는 태양-지구 간 거리로 약 1억5000만km)의 거리에 이르게 되면 그때까지 기체 상태로 있던 물, 암모니아, 메탄 등이 얼 정도로 온도가 떨어진다. 이런 ‘얼음’이 만들어지면 미행성의 식량이라고 할 수 있는 고체 물질이 풍부해지므로 거대 행성이 성장할 수 있는 기반이 마련된다.

시간이 흐르면서 이 미행성들이 어떻게 목성형 행성으로 커나가는지 컴퓨터 모의실험을 해보자. 초기에는 큰 미행성일수록 큰 중력으로 더 많은 물질을 주위에서 끌어들일 수 있어 급속도로 성장하는 반면, 작은 미행성은 상대적으로 크지 못하는 ‘빈익빈 부익부’ 현상이 나타난다.

결국 태양계는 해왕성 정도의 크기(지구 질량의 10~ 20배)를 가진 원시행성 서너 개가 수많은 미행성 사이에 군림하는 소수독재체제로 바뀐다. 이 정도 크기에 도달한 원시행성은 수소나 헬륨 같은 기체도 붙잡을 수 있을 만큼 충분히 강한 중력을 갖는다. 따라서 현재 목성 궤도 근방에 만들어진 원시행성들은 그전까지는 고체 미행성만으로 몸집을 불리다가 이제는 기체까지 끌어들이면서 질량이 급속도로 증가한다.

이 이론은 목성이나 토성처럼 얼음핵 주위를 거대한 기체층이 둘러싸고 있는 행성의 형성에 대해서는 잘 설명해준다. 그러나 기체층이 발달하지 못하고 주로 얼음만으로 이뤄진 천왕성과 해왕성에 대해서는 설명이 어렵다. 초기 태양계 성운의 밀도 분포를 고려해볼 때 현재 위치(19~30AU)에 그 정도의 얼음핵을 형성할 만한 물질이 충분치 못했을 것이기 때문이다.

또한 기존 이론에 따르면 목성형 행성들은 같은 평면상에서 원궤도를 따라 운동해야 하는데, 현재 이들은 지구형 행성과는 다른 궤도면상에서 타원궤도를 따라 운동하고 있다. 타원궤도는 시간이 지나면 안정적인 원궤도로 정착하게 되는데, 목성형 행성들이 아직도 타원 궤도를 가진다는 말은 행성의 진화 과정에서 무언가 격변적인 사건을 겪었기 때문일 수 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 2005년 5월 26일자 ‘네이처’에 발표된 한 논문에서는 나중에 천왕성과 해왕성이 될 원시행성들이 원래 목성과 토성 근방에서 형성됐다는 가정이 제기됐다.

이때쯤이면 두꺼운 기체층까지 덧붙이며 질량이 급격히 증가한 목성이 다른 원시행성들에 중력으로 강한 영향력을 행사하게 된다. 또 달리는 차가 바람의 저항을 받는 것처럼 미행성들은 주위 기체의 저항 때문에 속도가 느려지면서 궤도 변화가 일어나고, 이런 미행성들과 마찰을 일으킨 원시행성들도 점차 원래의 위치에서 벗어나게 된다.

이 과정에서 토성은 공전주기가 목성 공전주기의 정확히 2배가 되는 공명 궤도에 들어간다. 토성이 한 번 공전할 때마다 두 번 목성에 근접하는 과정이 반복되면서 목성의 강한 중력으로 인해 토성 궤도가 점차 심한 타원으로 변형된다. 토성의 궤도 변화는 차례로 천왕성과 해왕성의 궤도 역시 극단적인 타원 형태로 바뀌게 한다. 이같은 타원궤도를 따라서 천왕성과 해왕성은 태양계 바깥 지역(20~35AU)에 남아 있던 미행성대에 깊숙이 들어가게 된다.

결국 천왕성과 해왕성은 미행성들과 각운동량을 교환하며 태양계 바깥쪽으로 급격하게 밀려나는 반면, 미행성들은 반대로 태양계 안쪽을 향해 이동하게 된다. 이렇게 태양계 안쪽으로 밀려들어온 미행성들이 38억년전 지구형 행성에 집중 충돌함으로써 오늘날 달이나 수성 표면에 보이는 수많은 충돌 구덩이를 만들었다는 것이다.

결론적으로 천왕성과 해왕성은 목성과 토성 부근에서 태어났지만 목성처럼 기체행성이 되기 전에 태양계 바깥으로 쫓겨나 얼음행성으로 남게 됐다. 그리스·로마 신화 속에서도 주피터는 형제 신들을 쫓아내고 가장 위대한 신이 된다. 과연 태양계 형성 이론이 이번 연구로 다시 한번 수정될지 주목된다.