[비즈한국] 토성은 가장 크고 아름다운 고리를 갖고 있다. 토성뿐 아니라, 목성, 천왕성, 해왕성, 다른 거대 가스 행성들도 희미하지만 모두 고리를 갖고 있다. 흔히 이런 고리는 중력이 강한 덩치 큰 행성들만 누릴 수 있다고 생각한다. 하지만 그렇지 않다. 태양계 끝자락으로 가면 전혀 예상치 못한 존재들이 나타난다. 지구보다 훨씬 작은 소행성 주제에 주변에 커다란 고리를 두르고 있다. 최근 천문학자들은 연이어 태양계에 숨어 있던 고리를 두른 두 소행성의 놀라운 모습을 포착했다. 왜 우리는 이 소행성들의 고리에 주목해야 할까? 

최근 들어 천문학자들이 고리를 두르고 있는 태양계 끝자락 소천체들에 주목하는 이유는 무엇일까?

작은 소행성, 왜소행성 주제에 고리를 두르고 있는 곳들이 하나둘 발견되고 있다. 대표적으로 명왕성 너머 카이퍼 벨트에 머물고 있는 왜소행성 하우메아가 있다. 길게 찌그러진 타원형의 형태를 하고 있는 이 왜소행성 주변에는 반지름 약 2300km, 두께 70km의 얇고 둥근 고리가 존재한다. 

토성과 천왕성 사이에서 크게 기울어진 궤도를 그리고 있는 소행성 커리클로도 대표적이다. 2013년 천문학자들은 겨우 지름 150km 수준의 작은  커리클로 주변에서 심지어 두 개의 고리를 확인했다. 조금 더 안쪽, 반지름 390km에 두께 6km 정도, 더 두꺼운 고리가 하나있다. 그리고 그 바깥, 반지름 404km에 두께 3km 정도, 더 얇은 고리가 하나 더 있다. 천문학자들은 안쪽의 더 두꺼운 고리를 오이아포키(Oiapoque), 그리고 바깥의 좀 더 얇은 고리를 츄이(Chuí)라고 이름지었다. 시뮬레이션에 따르면 이 소행성 주변의 고리들은 대부분 1cm 크기도 안되는 작은 부스러기들만으로 이루어져있다. 

이처럼 얇고 희미한 고리의 존재를 확인하는 건 아주 까다롭다. 소행성 자체만 해도 아주 흐릿한데 그 주변 고리에 반사된 태양빛은 거의 보이지 않는다. 그래서 천문학자들은 전혀 다른 방법으로 이 고리들의 존재를 확인한다. 소행성이 태양계 바깥 훨씬 멀리 떨어진 배경 별 앞을 가리고 지나갈 때, 별빛이 가려지는 모습을 포착하는 것이다.

앞서 2013년 천문학자들은 소행성 커리클로가 먼 배경 별 앞을 가리고 지나가는 엄폐 현상을 포착했다. 커리클로 자체가 별을 가리면서 약 5초 동안 별빛이 어두워졌다. 그런데 흥미롭게 그 앞뒤로 두 번씩, 총 네 번 아주 잠깐 별빛이 어두워지는 모습이 포착되었다. 두 번은 별빛이 아주 살짝 가려졌고, 나머지 두 번은 훨씬 많이 가려졌다. 이것은 커리클로 주변에 두 개의 가늘고 두꺼운 고리가 존재한다는 증거다! 

별빛의 변화를 보면 가장 처음과 마지막에 별빛은 가장 살짝 가려진다. 이것은 가장 바깥에 있는 고리가 비교적 얇다는 뜻이다. 반면 그 안쪽 고리는 더 두껍기 때문에 더 안쪽에서 앞뒤로 별빛이 더 많이 가려지는 구간이 포착되었다. 소행성 자체에 의해 별빛이 가려지는 순간 앞뒤로 정확하게 같은 간격을 두고 똑같은 밝기 감소가 반복되었다는 것은 분명 소행성 주변에 둥근 고리가 존재한다는 것을 의미한다. 단순히 작은 위성이 맴돌고 있다고는 보기 어렵다. 

이 놀라운 발견을 통해 천문학자들은 이미 커리클로 주변에 어느 정도 크기의 고리가 존재하는지를 파악하고 있었다. 

천문학자들은 2022년 10월 다시 한번 이 소행성이 또 다른 별 앞을 가리고 지나가는 순간을 기다렸다. 이번엔 그 광경을 제임스 웹 우주망원경으로 포착하는 데 성공했다. 그런데 이번 관측 결과를 보면 2013년 때와 아주 큰 차이가 하나 있다. 커리클로 자체가 별을 가리고 지나가면서 별빛이 가장 많이 어두워지는 구간은 보이지 않는다. 대신 그 앞뒤로 얇은 고리가 별빛을 가리면서 잠깐 어두워진 구간만 보일 뿐이다. 

이것은 아주 놀라운 것을 알려준다. 제임스 웹이 커리클로 소행성 자체와 그 주변 둥근 고리 사이, 딱 그 절묘한 틈 사이로 배경 별이 가려지는 순간을 포착했다는 뜻이다! 소행성 자체는 별을 가리지 못했다. 하지만 소행성을 둘러싼 둥근 고리는 별을 가리고 지나갔다. 정말 엄청난 ‘에임(aim)’으로 소행성의 몸통과 주변 둥근 고리의 틈 사이에서 벌어진 별빛의 엄폐를 포착했다. 제임스 웹의 시선 방향이 조금만 틀어졌어도 절대 볼 수 없는 놀라운 우연이었다. 

한편 최근 또 다른 카이퍼 벨트 천체에서도 새로운 고리의 존재가 발견되었다. 명왕성 너머 궤도를 돌고 있는 왜소행성 콰오아다. 지름 1000km 정도의 콰오아는 그 주변 1만 4500km 거리에서 궤도를 도는 지름 170km 정도 크기의 작은 위성 웨이왓을 함께 거느리고 있다. 마찬가지로 콰오아가 배경 별 앞을 가리고 지나갈 때 그 뒤의 별빛이 어두워지는 모습을 포착했다. 그리고 콰오아의 몸통이 별을 가리는 순간 앞뒤로 아주 미세하게 별빛이 똑같이 어두워졌다! 

이번 관측은 ESA에서 원래 외계행성을 탐색하기 위해 최근 새로 쏘아올린 CHEOP 우주 망원경으로 진행되었다. 원래 천문학자들은 앞서 이 CHEOP 우주 망원경을 활용해 훨씬 큰 명왕성이 배경 별 앞을 가리는 순간을 포착할 계획이었다. 하지만 이 첫 번째 시도는 타이밍을 놓쳐서 실패로 끝났다. 하지만 다시 태양계 천체들과 배경 별들이 어떻게 움직일지 아주 정밀한 분석을 진행했고, 정확하게 콰오아가 한 배경 별 앞을 가리고 지나가게 될 것이란 사실을 확인했다. 그리고 그 순간만을 기다렸다. 

이번 관측에서 천문학자들은 콰오아 주변 무려 반지름 4100km 크기의 아주 커다랗고 얇은 고리를 확인했다. 이건 콰오아 자체 반지름의 일곱 배를 넘는 아주 먼 거리에 이어진 고리다. 그리고 이건 이 고리를 더욱 특별하게 만들어준다. 중심 천체에서 이렇게나 멀리서 고리가 존재하는 건 기존의 상식으로는 불가능하기 때문이다. 

중심 천체 주변에 위성이 너무 가까이 접근하면 중심 천체가 가하는 기조력으로 인해 위성은 산산조각난다. 그리고 부스러기들이 고리를 이루게 된다. 이처럼 위성이 중심 천체의 기조력으로 부서지지 않고 가장 가까이 접근할 수 있는 거리 한계를 로슈 한계라고 부른다. 그래서 보통 큰 천체 주변 로슈 한계 주변에서 고리가 안정적으로 유지된다. 로슈 한계 바깥으로 멀리 벗어나면 중심 천체에 의한 기조력이 충분히 강하지 않기 때문에 부스러기들은 금방 다시 자체 중력으로 모여 하나의 위성으로 반죽될 수 있다. 

문제는 이번에 콰오아에서 새로 발견된 고리가 콰오아로부터 지나치게 멀다는 것이다. 콰오아의 로슈 한계를 훨씬 벗어난다. 진작 수십 년 안에 이 고리 부스러기들이 하나의 위성으로 반죽되었어야 한다. 하지만 놀랍게도 콰오아 주변 고리 입자들은 한데 모이지 않고 그대로 고리로 머무르고 있다.

게다가 이번 관측 결과를 보면 콰오아 주변 고리는 두께도 일정하지 않다. 한쪽은 두께가 5km 밖에 안 되지만, 다른 한쪽은 거의 300km 두께에 달한다. 아주 비대칭하게 찌그러진 모양을 하고 있다. 만약 새로 발견된 이 고리가 진작 하나의 위성으로 반죽되었다면 약 10km 크기의 위성이 되었을 것이다. 현재 콰오아 곁을 돌고 있는 위성 웨이왓의 10분의 1밖에 안 되는 크기다. 

대체 어떻게 이런 비대칭한 모습의 고리가, 로슈 한계를 훨씬 벗어난 먼 거리에서 안정적으로 유지될 수 있을까? 

정말 수년 전에 벌어진 최근의 충돌로 인해 이제 막 생긴 고리의 모습을 운 좋게 잠깐 순간 포착한 것일 수도 있다. 또는 콰오아 주변을 도는 위성 웨이왓, 그리고 아직 발견되지 않은 또 다른 위성들과의 궤도 공명 덕분에 이런 독특한 고리가 유지될 가능성도 있다. 심지어 애초에 기존의 관측으로 파악했던 콰오아 자체의 밀도에 문제가 있었던 것일지 모른다. 애초에 추정했던 콰오아의 질량이 너무 지나치게 가벼웠다면 실제보다 로슈 한계를 더 작게 오해하고 있을 가능성도 있기 때문이다. 

이처럼 소행성, 왜소행성 주변 고리의 존재는 단순히 그 고리 자체뿐 아니라 그 중심의 소행성, 왜소행성의 보다 더 정확한 스펙을 유추할 수 있는 아주 중요한 단서가 된다. 

하우메아, 커리클로 외에도 태양계 외곽에서 최근 들어 고리를 갖고 있는 소행성들이 하나둘 발견되고 있다. 또 다른 곳으로 커리클로처럼 토성과 천왕성 사이 궤도를 돌고 있는 왜소행성 키론이 있다. 마찬가지로 키론이 배경 별 앞을 가리고 지나가는 동안 키론의 앞뒤로 얇은 고리가 별빛을 가리는 모습이 포착되었다. 이를 통해 그 주변에 반지름 약 300km의 얇은 고리의 존재가 추정된다. 

재밌는 건 지금까지 고리를 갖고 있는 소행성, 왜소행성은 모두 적어도 토성 궤도 너머, 카이퍼 벨트처럼 아주 먼 태양계 외곽에서만 발견되고 있다는 것이다. 훨씬 안쪽에 있는 화성과 목성 사이 소행성 벨트에서는 이런 고리를 가진 소행성이 발견되지 않는다. 

이 재밌는 사실은 어떻게 조그마한 소행성 주변에 고리가 존재하는지에 대한 힌트가 될 수 있다. 천문학자들은 소행성 주변 고리들이 오래전 소행성에 벌어진 충돌로 인해 퍼져나간 파편들이 모여 만들어졌을 거라 추정한다. 태양계 안쪽 소행성 벨트에서는 소행성들이 훨씬 빠르게 맴돈다. 따라서 충돌도 더 격렬하다. 더 강한 충돌로 인해 파편들은 훨씬 빠른 속도로 흩어져버리고 안정적인 고리를 이루어 머무르기 어렵다. 

반면 태양계 외곽에선 소행성들도 비교적 느리게 충돌한다. 충돌 이후 퍼져나간 파편들도 훨씬 오랫동안 소행성 곁에 붙잡혀 안정적인 고리를 유지하기 쉽다. 또한 태양계 안쪽은 태양의 중력 자체도 훨씬 강하게 작용한다. 그래서 흩어진 파편들이 소행성의 미약한 중력에 붙잡히지 못한 채 그대로 태양의 중력에 이끌려 흩어져버릴 수 있다. 

이러한 차이로 인해 적어도 토성 궤도를 벗어나야 고리를 두른 소행성이 존재할 수 있다고 볼 수 있다. 다만 소행성 주변 고리가 워낙 얇고 고리 입자들을 다 모아봤자 전체 질량도 엄청 작기 때문에 고리가 만들어진 건 꽤 최근일 것이다. 실제로 시뮬레이션에 따르면 커리클로 주변 고리도 기껏해야 한 100여 년 전에 형성되었을 거라 추정된다. 

그렇다면 이런 작은 소행성들의 고리를 파악하는 것이 왜 중요할까? 소행성이 오래전 지구의 바닷물을 채워준 물의 기원으로 새롭게 떠오르고 있기 때문이다. 제임스 웹은 커리클로 관측을 통해 이 소행성에 얼음의 형태로 있는 물의 존재를 확인했다. 커리클로 소행성 자체의 표면과 주변 고리에 반사된 태양빛을 분석해 이곳에 물 성분이 있다는 사실을 검증했다. 하지만 소행성이 망원경의 시야에 들어온 관측 시간 자체가 몇 분밖에 안 되기 때문에 이 물 성분이 정확히 소행성 자체에만 있는지 아니면 고리에 더 많이 있는지, 소행성과 고리의 물 성분 함량을 따로 구분해서 볼 수는 없었다. 

하지만 여기서 천문학자들은 한 가지 트릭을 쓸 수 있다. 소행성 자체가 계속 움직이면서 우리의 시야에서 고리의 기울기가 계속 변한다. 운이 좋으면 고리가 거의 완벽하게 누워서 아주 가느다랗게, 거의 보이지 않는 방향으로 누울 수도 있다. 그리고 바로 이런 자세로 고리가 누워있을 때 다시 한번 소행성을 관측한다면? 이번엔 순수하게 소행성 표면에만 반사된 태양빛만 볼 수 있다. 고리에 반사된 태양빛은 거의 들어오지 않는다. 이를 분석하면 이번 관측으로 확인된 커리클로의 물 성분이 주로 소행성 몸통 자체에 있는 건지, 아니면 그 주변 고리에 주로 숨어있던 건지를 검증할 수 있다! 

만약 소행성이 아니라 주변 고리에 더 많은 물이 존재한다는 사실이 확인된다면, 우린 드디어 오래전 지구에게 바닷물을 제공해준 진짜 범인이 누구였는지 더 자세한 시나리오를 쓸 수 있다. 그간 우리는 단순히 과거 지구로 소행성 자체가 날아오면서 그 거대한 돌멩이가 품고 있던 물이 지구에게 제공되었을 거라고만 생각했다. 하지만 진짜 범인은 그 돌멩이가 아니라, 돌멩이가 두르고 있던 주변의 얼음 고리일 가능성도 있다. 즉 오래전 태양계 가장자리에 잔뜩 숨어 있던 얼음 고리를 두른 소행성들이 지구로 쏟아지면서 지금의 바닷물을 채워주었을지 모른다! 

최근 이어진 놀라운 관측은 모두 가이아 위성으로 우리 은하 속 별들의 정확한 위치 지도를 파악한 덕분에 가능했다. 아주 정확하게 초 단위, 분 단위로 사방의 배경 별들이 하늘 위에서 어디에 놓여 있을지, 어디로 움직일지를 파악하고 있다. 이를 통해 태양계 작은 소천체들이 정확히 어느 순간 어떤 별 앞을 가리고 지나갈지, 그리고 정확히 어떤 날짜와 시각에 지구의 어느 망원경으로 그 모습을 볼 수 있을지 최고의 뷰포인트를 찾을 수 있다. 

이제 천문학적 발견은 단순히 우연이나 천운에만 기대지 않는다. 정확하고 철저한 계획을 통해 그 계획대로 이루어지는 시대가 되고 있다는 점도 바로 이번 발견들을 통해 알 수 있는 놀라운 사실이다. 이러한 철저한 계획과 놀라운 발견을 통해, 이제 우린 아직 완벽히 풀리지 않고 있는 지구의 생명과 바닷물의 기원, 그 미싱링크의 빈 공백을 조금씩 채워나갈 수 있을 것이다. 

참고

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2014/01/aa22579-13/aa22579-13.html

https://www.nature.com/articles/nature24051

https://www.nature.com/articles/s41550-018-0616-8

https://www.nature.com/articles/nature13155

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05629-6

https://blogs.nasa.gov/webb/2023/01/25/webb-spies-chariklo-ring-system-with-high-precision-technique/

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 writer@bizhankook.com

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