역동의 환경에서도 살아남은 오래된 태양계 천체들 - 소행성

천문학의 오랜 궁금증인 '태양계가 어떻게 형성되었고 진화하였는지'에 관해서 파악하려면 역동의 환경에서도 살아남은 오래된 천체를 찾아야 한다. 이런 천체들은 주로 혜성과 소행성을 들 수 있는데, 이 둘의 차이점은 주로 '구성 물질'과 '이들이 오랜 시간을 보내고 있는 장소' 등에서 찾을 수 있다.

먼저 소행성은 대부분 암석질로 구성되어 있으며 휘발성 물질이 거의 함유되지 않았다는 특징을 들 수 있다. 이들은 구성성분과 스펙트럼형에 따라 크게 C형 ("chondrite" 탄소질 풍부), S형 ("stony" 규산염 Si 풍부), M형 ("nickel-iron" 금속 Metal 풍부)등 으로 구분되는데, 대부분의 소행성은 C형으로 구분된다. 이들은 대부분 소행성대라고 불리는 화성과 목성 궤도 사이 태양계의 첫 번째 먼지 원반 (주로 2.2 ~ 3.3 au; 1 au는 지구와 태양까지의 거리), 목성과 태양의 중력이 균형을 이루는 안정적인 지점 라그랑지안점 L4 및 L5 점에 거주하고 있으며 (트로이 그룹 Trojans; 목성 궤도의 60도 정도 앞뒤에 존재하는 소행성들), 지구와 가까운 궤도를 지나는 지구 근접 소행성(지구 궤도에 근접해 있거나 실제로 지구 궤도를 통과하는 소행성)도 존재한다. 이들은 목성의 중력으로 인해서 행성이 되지 못한 천체들과 미행성이 서로 충돌하며 작은 소행성과 먼지 입자들을 만들어 내며 생성된 것으로 예측되고 있다.

직경 1 km 이상의 소행성은 최소 110~190개 정도 존재한다고 알려져 있으며, 이보다 작은 소행성의 숫자는 훨씬 더 많다. 현재 확인된 소행성의 수는 2023년 5월 현재 1,282,871개이다.

역동의 환경에서도 살아남은 오래된 태양계 천체들 - 혜성

다음으로 혜성은 아름다운 모습을 띠고 있기에 누구나 좋아하는 천체이다. 하지만 실제 모습은 아쉽게도 깨끗한 모습은 아닐 것이다.  '더러운 눈 덩어리'이라는 별명을 지닐 정도로, 물과 다른 휘발성 물질 그리고 먼지 등이 얼어 붙어있는 얼음덩어리이다. 혜성은 맨눈으로는 관측하기 매우 힘들지만, 주로 먼 궤도를 돌면서 태양에 다가올 때 태양 빛을 반사하는 먼지와 가스로 구성된 일시적인 대기 꼬리등을 통해서 이들의 모습을 볼 수 있다. 이들은 보통 물과 소량의 이산화탄소, 일산화탄소, 산화수소 등의 가스를 포함하고 있다. 즉, 혜성은 다양한 종류의 얼음, 가스, 규산염, 금속, 그리고 먼지 등의 혼합체라고 할 수 있다.

참고로 이러한 먼지와 가스는 혜성의 핵이라고 부르는 중심부에서 공급이 되는데, 태양에 가까워지면서 태양에서 날아오는 입자들에 의해서 핵의 물질이 뒤로 밀려나면서 푸른색의 이온 꼬리와 규산염등으로 이루어진 먼지 꼬리를 형성하게 된다. 혜성은 작은 크기와 중력으로 인해서 대기 꼬리를 오래 머금을 수 없고 금새 흩어지게 된다. 바로 이 모습이 아름다운 혜성의 모습을 만들어 내게 된다.

혜성의 원일점과 근일점을 계산해 보면, 이들은 소행성과 다르게 주로 태양으로부터 멀리 떨어진 곳에 자리 잡고 있다는것을 예측할 수 있다. 예를 들면, 혜성의 고향은 태양계 두 번째 먼지 원반인 카이퍼 벨트나 가상의 천체이지만 수조 개 이상의 혜성이 모여있다고 생각되어 지는 오르트 구름 등을 들 수 있다. 이들은 태양을 공전하던 중 행성들의 섭동으로 인해서 더 짧은 주기의 단주기 혜성으로 변하기도 하고, 심지어는 태양과 충돌하거나 행성의 중력장에 이끌려서 충돌하며 사라지기도 한다. 혹은 중력장에 가속되어서 반대로 태양계를 이탈하기도 한다.

소행성과 혜성의 성질을 동시에 지니고 있는 천체, 활성 소행성 (혹은 주대 혜성)

그렇다면 소행성과 혜성의 성질을 동시에 지니고 있는 천체는 없을까? 활성 소행성(활동성 소행성 혹은 주대 혜성 MBC: mainbelt comet이라고도 부름)이라고 부르는 천체들은 소행성과 같은 궤도를 가지고 있지만, 겉보기에 혜성과 같은 시각적 특징을 보인다. 즉, 혜성처럼 질량 손실을 보이며 시각적인 활동을 보이지만, 궤도는 놀랍게도 여전히 소행성의 그것처럼 목성 궤도 내에 남아 있는 천체들이다. 최초로 발견된 활성 소행성은 7968 엘스트-피자로(133P/Elst-Pizarro)이다.

제임스 웹, 활성 소행성/주대 혜성에서 최초로 가스를 발견하다

제임스 웹 우주 망원경의 새로운 발견은 더 이상 놀랍지 않다. 워낙에 민감하고 섬세한 망원경인지라 관측을 수행하면 대부분 새로운 사실이 드러나게 되기 때문이다. 이번 관측도 역시 예외는 아니다.

위 데이터는 2022년 NASA의 제임스 웹 우주망원경에 탑재된 근적외선 분광기(NIRSpec)로 관측한 238P/Read 혜성의 스펙트럼과 2010년 NASA의 딥 임팩트 미션이 관측한 103P/Hartley 2 혜성 간의 주요 유사점 및 차이점을 보여주고 있다. 먼저 제임스 웹 우주망원경은 소행성대에 위치한 희귀 혜성, 즉 활성 소행성 238P/Read(천문학자 Read에 의해서 발견)에서 물과 가스를 발견하였다. 특히, 소행성대의 혜성 주변에서 가스가 발견된 것은 이번이 처음이기에 매우 중요한 발견으로 평가받고 있다.

관측의 제안서를 제출하고 연구를 이끈 메릴랜드 대학교 천문학자 마이클 켈리 박사(Dr. Michael Kelly)는 과거에 소행성대에서 혜성의 시각적인 특성을 가진 물체를 관측한 적은 있지만, 이를 직접 관측하며 스펙트럼 데이터를 통해서 확인까지 한 것은 이번이 처음이라고 설명한다. 켈리 박사는 혜성의 시각적인 특성을 보인 이유는 확실히 '얼음'이라고 규명했다. 이를 통해서 초기 태양계의 물이 얼음의 형태로 소행성대에도 보존될 수 있다는 사실을 입증할 수 있게 되었다고 주장하며, 위 발견이 왜 중요한지 설명했다.

238P/Read 혜성 주변에서 수증기가 발견됨에 따라 생명체의 필수 성분인 물이 혜성에 의해 지구로 전달되었다는 이론에 크게 힘이 실리게 되고 있다. 하지만, 더 흥미로운 점은 238P/Read 혜성에서 천문학자들이 기대했던 이산화탄소가  발견되지 않았다는 점이다.

이론에 따르면 이산화탄소는 보통 혜성 휘발성 물질의 대략 10 % 정도를 차지하는 것으로 예측되고 있기에, 연구팀은 물의 발견보다 이산화탄소의 부재가 더 놀랍다고 설명한다.

이산화탄소가 발견되지 않은 이유는?

연구팀은 위 혜성에 이산화탄소가 없는 이유에 대해서 두가지 가능성이 있다고 설명한다. 첫째로 혜성의 형성동안 이산화탄소가 존재했을 가능성이 있지만, 태양에 워낙 가깝게 존재하고 있는 위 혜성의 특성상 이산화탄소가 이미 증발되어 버렸을 가능성이 있다. 위 혜성이 소행성대에 오랫동안 존재하고 있었다면 물이나 얼음보다 더 쉽게 증발하는 이산화탄소의 특성상, 수십억 년에 걸쳐 서서히 증발되었을 수 있기 때문이다. 또한, 두번째로 위 혜성들이 이산화탄소가 없는 지역에서 형성된 혜성들일 수도 있다.

연구팀은 이제 238P/Read 혜성과 비슷한 활성 소행성의 추가 관측을 통해서 이들이 모두 비슷한 구성을 지니고 있는지 확인할 예정이다. 소행성대에 있는 이 작고 희미한 천체들을 통해서 천문학의 오랜 질문은 점점 답을 향해 가고 있다. '생명체'로 대표되는 우리 행성 지구에 물이 어떻게 왔는지는 여전히 풀리지 않는 큰 수수께끼이기 때문이다. 태양계에서의 얼음 및 물의 분포와 이들의 역사를 이해하면 위 질문에 대한 대답에 가까워질 것이다.

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