흐릿한 얼음천체 명왕성, 알고 보니 흥미진진 ‘팔색조’

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이정환의 ‘우주★천문 뉴스 파일’

관측과 분석 기술이 발전하면서 우리의 근원적 호기심을 자극하는 우주와 천문학의 새로운 연구 소식들이 잇따릅니다. 천문학을 공부하는 대학원생 이정환 님이 우주·천문 분야의 흥미로운 최근 소식을 간추려 독자들께 전해줍니다.


   뉴호라이즌스 호가 전해준 '우리가 몰랐던 명왕성 이야기'


00pluto3.jpg » 뉴호라이즌스호가 촬영한 명왕성(오른쪽 아래)과 그 위성 카론(왼쪽 위). 출처/ NASA New Horizons


이 알려지지는 않았지만 2012년에 <명왕성>이라는 이름의 한국 영화가 개봉된 적이 있었습니다. 언뜻 생각하기에는 우주 영화나 공상 과학 영화인 것 같지만, 실제로는 치열한 입시 경쟁에 내몰린 학생들 사이의 비극을 그린 작품입니다. 성적과 집안 배경이 좋지 못하다는 이유만으로 입시 체제에서 소외당하는 학생들을 태양계의 천체 ‘명왕성(Pluto)’에 빗대어 연출해낸 것이죠. ‘태양계가 되고 싶은 작은 별의 항변’이라는 영화의 부제는 이러한 명왕성의 소외된 이미지를 잘 나타내고 있습니다. 물론 명왕성이 정말로 ‘별’인 것은 아니지만요.



'행성'이 아닌 '왜소행성' 명왕성

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영화 <명왕성>에서 이러한 은유를 사용한 배경에는 10년 전 천문학계를 뒤흔든 중대한 사건이 하나 자리 잡고 있습니다. 바로 명왕성이 태양계 행성의 지위를 잃게 된 것입니다. 2006년 국제천문연맹(IAU)은 명왕성을 태양계 행성 가족에서 제외하는 결정을 내렸습니다. 그러면서 ‘아홉 번째 행성’ 대신 ‘왜소행성(dwarf planet) 134340’이라는 이름을 붙였습니다. 1930년에 발견된 이래로 쭉 태양계의 아홉 번째 행성으로 여겨지던 명왕성이 행성의 지위를 박탈당하자, 많은 사람들이 강등된 명왕성에 감정을 이입해 ‘행성’ 명왕성을 변호하는 불만의 목소리를 내기도 했습니다.


왕성이 행성의 지위를 잃게 된 이유는, 명왕성이 다른 행성들처럼 충분히 크고 무겁지 못한데다 태양계 외곽에서 명왕성과 크기와 질량이 비슷한 작은 천체들이 수천 개 이상 발견되었기 때문입니다. 명왕성은 반지름이 지구의 약 0.2 배, 그리고 질량은 약 0.002배에 불과할 정도로 작고 가벼운 천체입니다. 따라서 주변 소천체들을 안정적으로 거느릴 수 있을 만큼 충분히 중력이 강하지 못합니다. 또한, 명왕성 궤도 근처에는 명왕성과 규모가 비슷하거나 혹은 더 작은 천체들이 많이 분포합니다. 이른바 '카이퍼 대(Kuiper belt)'라고 불리는 영역에 속하는 천체들입니다. 카이퍼 대의 발견은 명왕성이 궤도 주변의 소천체들에 대해 지배적인 역할을 하는 '특별한' 천체가 아니라는 것을 의미합니다.


00pluto1.jpg » 카이퍼 대(Kuiper belt)에서 발견된 왜소행성들과 명왕성. 이 왜소행성들은 궤도 주변의 소천체들을 안정적으로 끌어당길 수 있을 만큼 충분한 중력을 가지지 못한 천체들이다. 위성을 거느리더라도 다른 행성들처럼 지배적인 역할을 하지는 못하는 경우가 많다. 출처/ NASA New Horizons



명왕성 탐사의 새로운 지평선, 뉴호라이즌스 호

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하지만 지난 2015년 7월 뉴호라이즌스(New Horizons) 탐사선이 명왕성에 도달한 이후로 명왕성은 신비함과 독특함을 갖춘 새로운 연구 대상으로 떠오르고 있습니다. 2006년 발사되어 무려 9년 6개월을 날아가 명왕성에 접근한 뉴호라이즌스 호는 명왕성과 그 위성 카론(Charon)의 지형, 대기, 화학 조성, 내부 구조 등을 다양한 방법으로 조사했습니다. 그리고 1초당 약 250 바이트(B)의 속도로 1년 반에 걸쳐 명왕성 탐사 데이터를 지구로 보내왔습니다. 태양계 천문학자들은 전송되어온 데이터를 분석해 그동안 알려지지 않았던 명왕성의 비밀들을 파헤치기 시작했습니다.


호라이즌스 호의 탐사 성과 중 우리에게 가장 와 닿는 것은 명왕성의 선명한 사진들입니다. 명왕성은 태양에서 약 40 AU(지구 ~ 태양 간 거리의 40배를 나타내는 거리)만큼 멀리 떨어져 있고, 겉보기등급이 약 15 등급(밤하늘에서 육안으로 볼 수 있는 가장 어두운 밝기보다 약 4000배 더 어두운 밝기)에 이를 만큼 어두워 지구에서는 선명한 관측 사진을 얻기 어려웠습니다. 뉴호라이즌스 호가 명왕성에 도착하기 전까지 우리는 명왕성을 그저 반지름이 10 픽셀 남짓 되는 흐릿한 원 모양으로 볼 수밖에 없었습니다.


00pluto2.jpg » 1996년 허블 우주 망원경이 촬영한 명왕성의 사진. 이 사진은 2015년 뉴호라이즌스호가 명왕성을 근접 통과할 때까지 인류가 얻은 가장 선명한(?) 명왕성의 사진이었다고 한다. 출처/ NASA/JPL


명왕성을 제외한 다른 행성들에 대해서는 주로 1980년대 보이저 1,2호에 의해 탐사가 이루어졌지만, 명왕성은 여전히 미지의 영역으로 남아있었습니다. 그리고 앞에서도 이야기했듯이 지구에서는 명왕성의 뚜렷한 관측 사진조차 얻기 힘들다 보니 그동안 명왕성에 대해서는 연구할 것도, 밝혀진 것도 적을 수밖에 없었습니다. 이런 상황에서 뉴호라이즌스 호의 명왕성 탐사는 말 그대로 명왕성 연구에 '새로운 지평'을 열어주었습니다.



관심 초점된 하트 모양의 ‘스푸트니크 평원’

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뉴호라이즌스 호의 탐사로 얻은 수많은 사진들은 그동안 우리가 그저 춥기만 한 얼음 행성이라고 생각했던 명왕성이 실제로는 다양한 지형과 활발한 지각 운동, 빙하 운동 등을 보여주는 역동적인 천체임을 알려주었습니다. 가장 대표적인 예가 그림 3에서도 볼 수 있는 명왕성의 '하트 모양' 지형입니다.


왕성의 사진에서 밝은 색으로 보이는 하트 지형은 '스푸트니크 평원(Sputnik Planum)'이라고도 불립니다. 스푸트니크 평원은 사진에서 보이는 형태와 표면 색깔이 주변 지형에 비해 두드러져 보이기 때문에 많은 사람들이 흥미를 느끼며 연구해왔습니다. 뉴호라이즌스 호가 수행한 화학 조성 분석 결과, 스푸트니크 평원에는 질소(N₂)와 메탄(CH₄), 그리고 일산화탄소(CO) 등이 다른 지역보다 더 풍부하다는 것이 밝혀졌습니다.


또한 평균 영하 230 도의 매우 낮은 온도로 인해, 질소가 얼음 상태로 존재하기에 '질소 빙하'의 흔적도 스푸트니크 평원 곳곳에서 포착되었습니다. 이 질소 빙하는 비록 물 분자(H₂O)로 이루어져 있는 지구의 빙하와 구성 원소가 다르지만 계곡을 따라 흘러가면서 지표면에 다양한 지형들을 만들어내었다는 점은 비슷했습니다.


00pluto8.jpg » 뉴호라이즌스 호의 적외선 영상 분광기 '레이사(LEISA)'가 밝혀낸 명왕성 표면의 화학 조성 지도. 왼쪽 위부터 각각 메탄(CH₄), 질소(N₂), 일산화탄소(CO), 그리고 물(H₂O)을 나타낸다. 이 글의 맨위에 있는 명왕성 사진과 비교해보았을 때, 하트 모양 지형에 해당하는 스푸트니크 평원에는 메탄, 질소, 일산화탄소가 많이 분포하고 있다는 사실을 알 수 있다. 출처/ NASA New Horizons

00pluto5.jpg » 스푸트니크 평원에서 발견된 질소 빙하의 흔적. 질소 빙하가 흐르면서 명왕성 표면에 이러한 지형들을 만들어내고 있다. 뉴호라이즌스 팀 윌리엄 맥키넌(William McKinnon)의 시뮬레이션 연구 결과에 따르면, 질소 빙하들은 명왕성 표면의 깊은 골짜기로 흘러들어갔다가 명왕성의 지열로 인해 녹으면서 기체 상태로 대기에 공급된다고 한다. 출처/ NASA New Horizons

 
지난 달에는 스푸트니크 평원의 지하에 거대한 물(H₂O) 얼음층이 존재할 가능성이 높다는 연구 결과도 나왔습니다. 이는 뉴호라이즌스 팀과 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구진이 뉴호라이즌스 호가 보내온 명왕성의 중력 분포 데이터를 분석하여 내린 결론입니다. 이 거대한 물 얼음층은 명왕성의 지열로 인해 반쯤 녹아내린 '슬러시(slushy)' 상태일 것이라고 예측되고 있습니다. 또한 이 얼음층에 질소와 메탄, 암모니아(NH₃) 등이 풍부하다는 사실이 밝혀지면서 생명체가 존재할 가능성도 조심스레 제기되고 있습니다. 메탄이나 암모니아와 같은 물질들은 생명체를 구성할 수 있는 유기물 분자이기 때문이죠.


렇게 흥미로운 점이 많은 스푸트니크 평원은 그 형성 기원도 의문에 싸여 있습니다.


많은 학자들은 명왕성과 카이퍼 대의 어떤 천체가 충돌하여 하트 모양의 스푸트니크 평원이 만들어졌다고 추측하고 있습니다. 하지만 다른 의견도 있습니다. 메릴랜드 대학 더글라스 해밀턴(Douglas Hamilton)의 연구 결과에 따르면, 명왕성의 복잡한 기후로 인해 스푸트니크 평원 지역의 기온이 매우 낮아졌고 그에 따라 질소 빙하들이 다른 지역보다 많이 모여들었다고 합니다. 모여든 질소 빙하들은 햇빛 반사율을 높여서 스푸트니크 평원 지역의 기온을 계속 낮게 유지했기 때문에 지금에 이를 수 있었던 것이죠. 어떤 가설이 옳은지는 아직 알지 못하지만, 스푸트니크 평원은 다른 행성들에서는 흔히 관찰되지 않는 독특한 지형이기 때문에 그 형성 기원에 대해서도 연구가 계속될 것 같습니다.


00pluto6.jpg » 스푸트니크 평원 서쪽에서 발견된 눈이 쌓여있는 산맥들. 물이 아니라 메탄이 얼어서 생긴 눈이라고 한다. 출처/ NASA New Horizons



알고 보니 ‘팔색조’였던 명왕성

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명왕성에는 스푸트니크 평원 이외에도 흥미로운 곳들이 많습니다. 스푸트니크 평원 서쪽 방향에서는 메탄 눈으로 쌓여있는 산들을 볼 수가 있습니다. 이 산맥 지형들은 스푸트니크 평원으로 흘러들어가는 질소 빙하들이 만들어낸 것으로 추측되고 있습니다. 그리고 명왕성의 북극 주변에는 매우 거대하고 긴 협곡들이 분포하고 있습니다. '로웰 지역(Lowell Regio)'이라고 불리는 이 협곡들은 과거 명왕성에서 ‘판 운동’(지구의 지진·화산활동을 판(plate)의 충돌로 설명하는 것과 같은 이론이다)이 활발하게 일어났다는 증거가 되고 있습니다.


00pluto7.jpg » 명왕성의 북극 지역에 존재하는 협곡들. 색깔로 표시된 지역들이 주로 깊은 협곡들이다. 또한 명왕성의 북극 지역이 조금 붉은색을 띠는 이유는 질소 빙하들보다 메탄 빙하들이 풍부하기 때문이라고 추측되고 있다. 출처/ NASA New Horizons

 
호라이즌스 호의 탐사 이전에는 흐릿한 형체로만 볼 수 있었던 명왕성이 실제로는 이처럼 다양한 지형을 지녀 연구할 대상도 많은 '팔색조'였던 셈입니다. 최근에는 뉴호라이즌스 호의 탐사와 함께 찬드라 X선 망원경(Chandra X-ray Telescope)과 알마(ALMA: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) 등의 다파장 관측 연구들도 수행되고 있습니다. 따라서 앞으로도 명왕성에 대한 새로운 연구 결과들이 쏟아져 나올 것으로 기대됩니다.



행성 지위와 상관없이 중요한, 명왕성과 왜소행성들

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영화 <명왕성>에 등장하는 주인공이 대학입시를 위해 준비한 포트폴리오의 제목은 '명왕성 퇴출에 대한 항명'입니다. 거기서 주인공은 '인간이 천체를 어떻게 분류하든 과학의 법칙은 따로 존재하고, 명왕성은 행성의 분류와는 상관없이 태양계의 일원으로서 자신의 궤도를 유지하고 있다'라고 이야기합니다.


<명왕성>의 주인공이 펼치는 논리가 단순히 감정적인 것인지 과학적으로도 타당한 것인지를 따지는 것은 논외로 두겠습니다. 그러나 적어도 명왕성과 왜소행성들이 태양계의 행성이 아니라 해서 중요하지 않은 것은 아닙니다.


호라이즌스 호 임무가 시작된 이유는 단순히 우리가 아직 명왕성을 가보지 않았기 때문인 것만은 아닙니다. 명왕성과 카이퍼 대의 왜소행성들은 태양계 초기를 연구하기 위한 중요한 대상들입니다. 지구, 화성, 목성과 같은 비교적 큰 행성들은 이미 많은 소행성들이 중력으로 뭉쳐서 생긴 행성들이기 때문에 태양계 초기의 성질을 그대로 유지하고 있다고 보기가 어렵습니다. 반면 명왕성을 비롯한 왜소행성들은 크기가 작아 태양계 생성 초기의 성질을 그대로 유지하고 있을 가능성이 높습니다. 따라서 이들은 태양계가 만들어진 시기에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. (이는 화성과 목성 사이에 분포하는 소행성들이 태양계 초기의 비밀을 알기 위한 좋은 연구 대상이라는 논리와 맥을 같이 하고 있다.) 즉, 명왕성이 행성이든 왜소행성이든 상관없이 우리에게는 더없이 중요한 연구 대상인 것입니다.


뉴호라이즌스 호는 이제 명왕성 데이터 전송을 마무리 짓고 다음 목표인 '2014MU69'를 향해 날아가고 있습니다. 2014MU69는 명왕성으로부터 약 16억 km 떨어져 있는 카이퍼 대 천체(Kuiper Belt Objects)입니다. 뉴호라이즌스 호는 2019년 1월쯤에 이 천체에 도착해 새로운 탐사 임무를 수행할 예정이라고 합니다. 인류 역사상 최초로 수행되는 카이퍼 대 천체 탐사에서 2014MU69는 또 어떤 모습을 우리에게 보여줄까요? 왜소행성들이 뉴호라이즌스 호를 통해 우리에게 그 매력을 한껏 뽐내주었으면 좋겠습니다.



[참고]


[1] New Horizons' Top 10 Pluto Pics, NASA, 26 Feb 2016

  https://www.nasa.gov/feature/new-horizons-top-10-pluto-pics

[2] Intricate Surface Patterns Revealed on Pluto's Sputnik Planum, NASA, 30 Jun 2016

https://www.nasa.gov/image-feature/intricate-surface-patterns-revealed-on-pluto-s-sputnik-planum

[3] Scientists Probe Mystery of Pluto's Icy Heart, NASA, 2 Dec 2016

  https://www.nasa.gov/feature/scientists-probe-mystery-of-pluto-s-icy-heart

[4] Data from New Horizons mission suggest a water-ice ocean lies beneath Pluto's heart-shaped basin, Phys.org, 16 Nov 2016

  http://phys.org/news/2016-11-horizons-mission-water-ice-ocean-lies.html

[5] Could there be life in Pluto's Ocean?, Phys.org, 1 Dec 2016

  http://phys.org/news/2016-12-life-pluto-ocean.html

[6] Keane, J. et al., 2016, Nature

  http://www.nature.com/nature/journal/v540/n7631/full/nature20120.html


이정환 서울대 물리천문학부 석박사통합과정   

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이정환 서울대학교 물리천문학부 석박사통합과정(천문학) 대학원생
이제 막 천문학의 바다를 항해하기 시작한 대학원생입니다. 아직 내공이 부족하지만 앞으로 연구도 잘하고 싶고 글도 잘 써보고 싶은 욕심 많은 과학도입니다.
이메일 : joungh93@gmail.com      
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