명왕성(Pluto) - 행성의 지위를 박탈당한 '왜소 행성'

0. 목차

1. 기본 데이터
2. 행성의 지위를 박탈당한 '왜소 행성'
3. 명왕성의 위성
4. 명왕성은 어떻게 행성 지위를 박탈 당했는가?

1. 기본 데이터

1. 궤도 반지름(천문단위 지구=1): 39.93
2. 공전 주기: 248년
3. 자전 주기: 6.4일
4. 적도 반지름: 1185km
5. 질량(지구=1): 0.0019
6. 평균 밀도: 1852kg/m³
7. 위성 수: 5개 이상
8. 이심률: 0.249
9. 궤도 경사각도: 17.145

뉴호라이즌스호가 촬영한 '명왕성'

2. 행성의 지위를 박탈당한 '왜소 행성'

 '명왕성은 오랫동안 태양계의 행성 중에서 가장 멀리 떨어진 행성으로 간주되었다. 하지만 2006년에 새로 정해진 행성의 정의에 따라, 명왕성은 '왜소 행성(Dwarf Planet)'이라는 새로운 범주로 분류되었다. 태양에서 명왕성의 거리는 평균 약 59억 km나 된다. 나아가, 명왕성의 공전 궤도는 극단적인 타원형을 하고 있다.

 이처럼 명왕성은 8개의 행성과는 아주 동떨어진 천체여서, 왜소 행성으로 재분류되기 전부터 행성으로 인정해야 하는지 의문이 많이 제기됐다. 그리고 해왕성 바깥쪽에는 명왕성의 궤도와 비슷한 궤도를 가진 천체가 많이 발견된다.

이처럼 태양계에서 궤도 장반경이 해왕성의 것보다 긴 천체를 '해왕성 바깥 천체(TNOs)' 또는 '카이퍼 벨트 천체'라고 한다. '명왕성'도 '해왕성 바깥 천체' 무리에 들어간다. '왜소 행성'에는 명왕성 외에, '소행성대(Asteroid Belt)'에 위치한 소행성 '세레스(Ceres)', 그리고 '해왕성 바깥 천체'인 '에리스(Eris)', '마케마케(Makemake)', '하우메아(Haumea)' 등이 있다. 이들 왜소 행성 가운데서도 '해왕성 바깥 천체'에 속하는 것을 '명왕성형 천체(Plutoid)'라고 하며, 명왕성은 이 무리의 대표로 간주된다.

2-1. 명왕성의 지형

 2006년에 발사된, NASA의 인류 최초의 무인 소행성 탐사선 '뉴 호라이즌스 호(New Horizons)'의 관측 결과, 명왕성 표면에서는 현재도 지질 활동이 진행되고 있음이 밝혀졌다. 또한 심장 모양의 거대한 빙하인 '스푸트니크 평원(Sputnik Planitia)'으로 대표되는 복잡하고 다양한 지형이 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 그리고 그 결과, 명왕성 지하에는 현재도 바닷물이 존재하고 있을 가능성이 제기되었다.

산들도 보이는데 높이가 최대 3000m 정도인 산도 있다. 명왕성의 표면 온도는 -230~-210℃로, 질소를 주성분으로 한 대기를 가지고 있다. 목성보다 먼 궤도를 돌고 있는 행성들은 모두 짙은 대기로 뒤덮여 있는데, 명왕성의 대기는 희박해서 대기압은 지구의 10만 분의 1밖에 되지 않는다. 그리고 표면에는 질소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소 등이 서리처럼 고체가 되어 쌓여 있으리라 생각된다. '핵(core)'은 암석질이며, 그것을 에워싸듯 두꺼운 물의 얼음층이 만들어져 있다

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3. 명왕성의 위성

 명왕성은 적어도 5개 이상의 위성을 가지고 있다. 현재까지 명왕성의 위성은 '카론(Charon)', 스틱스(Styx)', 닉스(Nix)', '케르베로스(Kerberos)' '히드라(Hydra)'가 발견되었다.

3-1. 카론(Charon)

 명왕성의 위성 중에는 '카론(Charon)'이 가장 유명하다. '카론'은 명왕성의 절반 정도의 크기로, 위성치고는 매우 큰 편에 속한다. '모행성(parent planet)', '모왜소 행성(parent dwarf planet)'에 대한 크기가 큰 것 중에는 지구의 달이 있지만, 달도 지구의 약 4분의 1 크기 정도이다. 이 엄청난 크기 때문에, 2006년 행성의 정의를 결정하는 회의에서 명왕성과 카론을 행성과 위성의 관계가 아닌, 이중 행성계로 파악해 카론을 명왕성과 더불어 왜소 행성으로 분류하자는 의견이 나왔을 정도이다. '이중 행성(double planet)'의 정의는 명확하게 정해져 있지 않지만, 크기가 비슷하고 두 천체의 공통 중심이 어느 한쪽의 천체 내부에는 없고 우주 공간에 있는 경우는 '이중 행성'으로 판단되는 경우가 많은 것 같다.

 그러면 이렇게 큰 카론은 어떻게 생겨났을까? 명왕성의 기원에 대해서는 태양계에 행성이 만들어지는 과정에서 위성이 될 수 없었던 미행성이 해왕성 바깥쪽에 모여 차츰 커졌다고 생각된다. 하지만, 카론이 어떻게 만들어졌는지는 아직 제대로 알려져 있지 않다. 다만 카론이 생겨났는지 대해서는, '명왕성과 함께 탄생했는 설'과 '명왕성이 생긴 뒤 바깥쪽에서 카론을 포획했다는 설' 두 가지가 있다. '스바루 망원경'의 관측에서는 명왕성 표면에는 에탄의 얼음이 있고, 카론의 표면에는 물의 얼음이 존재한다고 밝혀져, 둘의 표면에는 차이가 있음이 알려졌다. 그래서 '명왕성이 생긴 뒤 바깥쪽에서 카론을 포획했다는 설'이 조금 더 무게를 얻고 있다.

 아래의 사진은 2006년에 발사된 인류 최초의 무인 소행성 탐사선인 '뉴허라이즌스(New Horizons)'가 2015년 7월 14일에 관측한 명왕성의 위성 '카론(Charon)'이다.

뉴호라이즌스호가 촬영한 명왕성의 위성 '카론(Charon)'

3-2. 스틱스(Styx)

 내용 보충 예정

3-3. 닉스(Nix)

 내용 보충 예정

3-4. 케르베로스(Kerberos)

 내용 보충 예정

3-5. 히드라(Hydra)

 내용 보충 예정

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4. 명왕성은 어떻게 행성 지위를 박탈 당했는가?

 '행성(planet)'의 정의가 어떻게 정해졌는지를 이해하려면, '명왕성(Pluto)'이 어떻게 행성의 지위에서 퇴출되었는지를 이해하는 것이 도움이 된다.

 2006년 8월 24일, 국제천문학연맹(IAU)' 총회에서 '행성의 정의'가 정해졌다. '행성의 정의'란 천체가 행성으로 인정되기 위한 조건이다. 의외라고 생각될지도 모르겠지만, 이때까지는 행성에 대한 공식 정의가 없었다. 왜냐하면 행성이란 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성, 명왕성을 가리키는 것으로 정해져 있어, 행성이 어떤 것인지 굳이 정의할 필요가 없었기 때문이다. 사람들 사이에서는 태양을 중심으로 도는 비교적 큰 천체 정도로 인식되고 있었다. 하지만 20세기 말이 되자 천문학자들은 행성의 정의가 명확하게 해두지 않으면 안 되는 상황에 몰렸다. 문제가 되는 행성은 당시 태양계의 제9행성으로 여겨졌던 '명왕성(Pluto)'이었다.

4-1. 명왕성의 발견

 1915년에 미국의 천문학자 '퍼시벌 로웰(Percival Lowell)'은 해왕성 바깥쪽에 해왕성의 움직임에 영향을 주는 미지의 행성이 있다는 설을 발표했다. 해왕성의 궤도에서 예측되는 밤 하늘에서의 겉보기 위치와 관측 결과 사이에 '어긋남'이 생기고 있었던 것이다. 로웰은 그 어긋남을 만드는 것이 미지의 행성에 의한 인력이라고 생각했다. 그의 계산 결과를 믿는다면, 해왕성에 영향을 미칠 정도의 인력을 가진 상당히 큰 행성이 존재한다.

 마침내 1903년이 되자 미국의 천문학자 '클라이드 톰보(Clyde Tombaugh, 1906~1997)'가 명왕성을 발견했다. 이 천체는 태양으로부터 약 59억 km나 떨어져 있으며, 행성 가운데 가장 바깥 궤도를 돌고 있었다. 명왕성은 아주 멀리 있는 천체였기 때문에, 발견될 당시에는 명왕성에 대한 정확한 데이터를 얻지 못하는 부분도 있었다. 처음에는 지구와 비슷한 크기이거나 그 이상의 크기를 가진 것으로 계산되기도 했다. 또 당시에는 행성에 대한 명확한 정의가 내려져 있지도 않았다. 결과적으로 다른 행성에 비해 궤도가 별나다는 사실을 인정하면서도, 행성의 하나로 간주하기에 이르렀다. 당시 명왕성을 행성으로 인정한 것은, 결과적으로 천문학자들의 잘못이었다. 다만, 당시의 지식이나 관측 기술 등을 감안한다면 불가피한 일이었던 것 같기도 하다.

4-2. 명왕성은 예상 밖으로 작은 별이었다.

 하지만 계속된 관측에 의해, 지구의 5분의 1 이하의 반지름밖에 되지 않는 매우 작은 천체라는 사실이 밝혀졌다. 명왕성이 예상했던 것만큼 크지 않았던 것이다. 그 원인으로는 우선 명왕성 표면의 빛의 반사율이 높은 점을 들 수 있다. 즉, 작은 천체이지만 비교적 밝게 보인다. 명왕성의 표면이 메탄 얼음으로 덮여 있다는 점이 그 원인으로 생각된다. 더욱이 1978년에는 명왕성의 위성 '카론'이 있음이 판명되었다. 카론은 지름이 약 1200km나 되며, 명왕성 크기의 절반이나 된다. 그때까지 명왕성의 빛이라고 관측되었던 것은, 실제로는 카론에 의해 상당히 '양이 늘어난' 결과였다.

4-3. 해왕성 바깥 천체의 발견

 1992년에는 '해왕성 바깥 천체(TNOs: Trans Neptunians)' 처음 발견되었다. '해왕성 바깥 천체'란 태양계에서 궤도 장반경이 해왕성의 그것보다 긴 천체를 말한다. 이때 발견된 소천체의 크기는 지름 100km 정도로, 명왕성의 20분의 1 이하 정도의 작은 천체였다. 그리고 이 발견을 필두로, '카이퍼 벨트(kuiper Belt)'에서 새로운 천체가 속속 발견되었다. 그중에는 명왕성과 비슷한 크기인 것도 있었다. 해왕성보다 먼 곳에서 작은 천체가 계속 발견되면서, 궤도 모양의 측면에서 '명왕성'과 '해왕성 바깥 천체'의 천체 구별이 애매해졌다. 그리고 '명왕성'보다 큰 '해왕성 바깥 천체'가 발견될 것은 시간문제라고 생각되었다.

 그러다 명왕성을 행성에서 제외해야 한다는 의견까지 나오기 시작했다. '명왕성은 행성이 아니라 해왕성 바깥 천체라고 해야 한다는 의견, 명왕성을 행성으로 인정하면 명왕성보다 큰 해왕성 궤도 천체가 발견됐을 때 행성보다 큰 소천체가 존재하게 된다는 의견 등이 나왔다. 하지만 명왕성이 '행성'인 동시에 '해왕성 바깥 천체'여도 연구에는 영향이 없다는 의견이 있어, 명왕성이 곧바로 행성 지위를 박탈당하지는 않았다.

4-4. '에리스'의 발견

 그러다가 명왕성보다 큰 '해왕성 바깥 천체'인 '2003UB₃₁₃'이라는 천체가 결국 발견되었다. 에리스는 2003년에 발견되고, 2005년에 발표된 천체이다. 지름은 명왕성보다 약간 큰 2400km 정도로 추측된다. 에리스는 명왕성보다 더욱 타원이면서 40° 이상이나 기울어진 궤도를 가지고 있었으며, 그 궤도의 일부는 명왕성과 겹쳤다. 발견될 때는 태양에서 약 145억 km 떨어져 있었다. 당시 NASA에서는 이것을 명왕성 다음가는 제10행성으로 발표해 화제가 되었다. 하지만 이렇게 명왕성보다 큰 천체는 앞으로도 또 발견될지도 모른다. 그래서 천문학자들은 '행성이란 무엇인가?'에 대해 명확한 정의를 내려야 할 입장에 놓이게 되었다.

 그러면 명왕보다 큰 에리스가 더 늦게 발견되었을까? 에리스가 멀리 있어서 어둡다는 것이 그 이유 중 하나이다. 명왕성 발견 당시부터 지금까지 에리스는 타원 궤도 중, 태양에서 아주 멀리 떨어진 위치에 있었다. 또 에리스의 궤도가 대단히 기울어져 있다는 것도 그 이유의 하나이다. 밤 하늘에서 다른 행성 등이 집중되어 보이는 영역인 '황도 부근'으로부터 상당히 떨어진 곳에 있기 때문에 발견하기 어려웠다.

4-5. 행성의 정의를 결정하기로 했다.

4-5-1. 명왕성에 던져진 세가지 의문

1. 첫째로는, 명왕성이 다른 행성에 비해 상당히 작다는 점을 들 수 있다. 명왕성의 적도 지름은 약 2390km이다. 이는 명왕성이 빠지면서 가장 작은 행성이 된 수성의 적도 지름이 4880km인 것에 비해 절반 정도였다. 참고로 지구의 위성인 달의 지름은 3476km로, 명왕성은 달보다도 작은 것이다.
2. 둘째로는, 태양의 주위를 도는 궤도가 '비정상적'이라는 점이다. 태양계 행성의 궤도는 완전하지는 않지만, 대개 원에 가깝다. 그런데 명왕성의 궤도는 상당이 찌부러진 타원이다. 더욱이 각 행성은 태양 주위를 돌 때, 대개 같은 하나의 평면 위를 지나고 있다. 하지만 명왕성의 궤도는 이러한 평면에서 17°나 기울어져 극단적으로 기울어져 있다.
3. 셋째는, 21세기에 들어와 명왕성 가까이에서 명왕성에 필적하는 크기의 천체가 여럿 발견되었다는 점이다. 명왕성은 행성으로써는 '괴짜'였었던 셈이다. 관측이 진행될수록 명왕성과 소행성의 크기가 줄어들었다. 결국 과학의 진보에 따라, 그때까지 구별되었던 행성과 소행성의 차이가 사라지게 되었다.

4-5-2. 행성정의위원회의 원안

 '에리스'의 발견을 계기로 '국제천문학연맹(IAU: International Astronomical Union)'은 '행성정의위원회'를 결성해 정식으로 행성의 정의를 결정하기로 하였다. '국제천문연맹'에서는 7명으로 구성된 '행성정의위원회'를 만들고, 행성의 정의에 대해 검토를 거듭했다. 그리고 2006년 8월 16일, 행성의 정의에 대한 원안이 발표되었다. 이때의 내용은 다음과 같았다.

1. 태양을 중심으로 돌 것
2. 자신을 중력을 가지고 공 모양을 유지로 클 것
3. 위성이 아닌 천체

 그리고 화성과 목성 사이에 존재하는 소행성대의 소행성과 '해왕성 바깥 천체'같은 소천체 중에서도 행성의 정의에 맞는 조건을 충족시키는 것은 새로 행성으로 간주하자고 제안되었다. 단, 이들에게는 '왜소 행성(dwarf planet)'이라는 명칭을 부여해, '고전적 행성(수성에서 해왕성에 이르는 종래의 행성 8개)'과는 구별했다. 이때 왜소 행성으로 선정된 소천체는 '해왕성 바깥 천체'인 '명왕성(Pluto)'과 '에리스(Eris)', 소행성인 '세레스(Ceres)', 그리고 명왕성의 위성인 '카론(Charon)'의 4개였다. 이로써 9개였던 태양계의 행성은 8개의 고전적 행성과 4개의 왜소 행성으로, 12개가 되는 것으로 제안되었다.

4-5-3. 왜소 행성을 행성으로 간주하는 것에 대한 반대 의견이 나오다.

 하지만 이 원안을 발표하자 찬반양론이 생겼다. 특히 왜소 행성을 행성으로 간주하는 것에 대해 반대 의견이 나왔다. 반대 의견의 근거 중 하나는, 앞으로 왜소 행성 같은 천체가 계속 발견될 것으로 예측되기 때문에, 왜소 행성을 행성으로 간주할 경우 행성의 수가 지나치게 많아진다는 것이었다. 너무 수가 많아지면 행성이라는 말이 갖는 무게감이 없어질 것을 우려한 것이다.

 또 하나의 반대 이유는, 왜소 행성 같은 소천체는 그 부근에 비슷한 천체를 많이 가지고 있다는 것이었다. 현재 생각되는 행성 형성 모델에 의하면, 행성은 미행성들이 서로 충돌·합체해 생긴 그 궤도 부근에서 특별히 큰 천체였다. 즉, 행성 부근에는 비슷한 크기의 천체가 존재하지 않아야 하며, '해왕성 바깥 천체'나 '소행성'처럼 주위에 비슷한 크기를 가진 것이 행성이 되는 것은 우스꽝스럽다는 것이 이유였다.

4-5-4. 개정안이 가결되어, 명왕성의 행성 지위가 박탈되었다.

 그래서 '그 궤도 부근에서 매우 두드러진 천체'라는 조건이 행성의 조건으로 들어갔다. 그래서 2006년 8월 24일 국제천문학연맹 총회에서는 두 종류의 안이 표결에 붙여졌다. 첫째는 원래 '개정안'이었고, 둘째는 개정안을 다시 수정해 왜소 행성을 행성에 포함시킨다는 '수정안'이었다. 개정안에서는 행성의 수가 8개가 되지만, '수정안'에서는 행성의 수는 12개가 된다. 표결 결과, 75%의 지지를 얻어 원래 '개정안'이 가결되었다. 이리하여, 명왕성은 행성의 지위를 박탈당하고, 태양계의 행성은 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 8개가 되었다.

4-6. '명왕성형 천체'와 '소행성'

 그런데 왜소 행성이라는 하나의 범주 안에는, 소행성대에 존재하는 '소행성'과 해왕성보다 먼 곳에 존재하는 '해왕성 바깥 천체'가 뒤섞여 있다. 하지만 '소행성'과 '해왕성 바깥 천체' 이 둘은 존재하는 장소는 물론, 기원까지 전혀 다르다고 생각된다. 그래서 이 둘을 구별하기 위해, 왜소 행성 가운데 '해왕성 바깥 천체'에 속하는 것은 '명왕성형 천체(Plutoid)'라는 범주로 분류해, 명왕성을 전형적인 예로 삼기로 했다.