우리의 태양계에는 '항성(Star)'이 1개, '행성(Planet)'이 1개, '왜소행성(Dwarf Planet)'이 6개, '위성(Natural Satellite)'이 수백 개, 그리고 셀 수 없이 많은 '소행성(Asteroid)'이나 '해왕성 궤도 통과 천체', '혜성(Comet)', '그 밖의 소천체'가 있다. 최근에는 이런 소천체에 대한 탐사들도 이뤄지고 있다. '소천체'의 탐사 목적은 무엇이고, 왜 작은 천체를 탐사하는 걸까? 우리는 작은 천체에서 어떤 정보를 얻을 수 있을까?
0. 목차
- 위성에서 얻을 수 있는 정보
- 소천체에서만 얻을 수 있는 정보
- 소천체의 연구
1. 위성에서 얻을 수 있는 정보
위성은 모두 같은 방식으로 탄생한 것이 아니다. 위성이 어떻게 형성되는가에 대해서는 크게 3가지 설이 있다.
- 거대 충돌설(Giant Impact): 첫 번째 설은, 행성에 같은 크기의 천체가 충돌한 충격으로 파편이 생기고, 그 파편이 모임으로써 위성이 태어난다는 것이다. 이 설은 '거대 충돌설(Giant Impact)'로 불린다. 지구의 위성 '달(Moon)'이나 명왕성의 위성 '카론(Charon)'이 이 방법으로 생겨났다고 생각된다. 태양계에서 거대 충돌에 의해 생겼다고 생각되는 위성은 이 둘밖에 없으므로, 특수한 형성 방법이라고 할 수 있다.
- 동시 성장설: 두 번째 설은, '태양 주위의 원반(원시 행성계 원반)'에서 행성이 생겨날 때 위성도 동시에 생겼다는 '동시 성장설'이다. 행성이 형설될 때는 행성 주위에 가스나 먼지의 원반인 '미니 원반'이 생긴다. 그 원반 안에는 먼지가 모여 얼음이나 바위의 작은 알맹이가 되고, 그 알맹이끼리 모이면서 위성이 형성된다는 설이다. 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 주요 위성은 이 방법으로 만들어졌다고 생각된다.
- 포획설: 세 번째 설은, 소행성 등이 행성에서 가까운 곳을 지나갈 때, 행성의 중력에 붙잡혀 위성이 도니다는 '포획설'이다. 화성의 '포보스(Phobos)'와 '데이모스(Deimos)', 해왕성의 '트리톤(Triton)', 목성·토성·천왕성의 모행성에서 비교적 멀리 있는 위성이 그러한 사례이다.
목성이나 토성은 '동시 성장'으로 생긴 위성과, 포획된 위성을 모두 가지고 있다. 모행성의 자전 방향과, 같은 방향으로 돌고 있는 위성을 '순행 위성'이라고 하고, 반대 방향으로 돌고 있는 위성을 '역행 위성(retrograde satellite)'이라고 한다. 일반적으로 행성이 생겨날 때 동시 성장한 위성은, 모행성에서 가까운 궤도를 모행성의 자전 방향과 같은 방향으로 돌고 있는 경우가 많다. 한편 포획된 위성은 모행성에서 먼 궤도를 모행성의 자전 방향과 반대 방향으로 돌고 있는 경우가 많다.
그래서 위성의 궤도가 순행인지 역행인지는, 위성이 동시 성장한 것인지 포획된 것인지를 구별하는 하나의 기준이다. 물론 역행하는 위성이라고 해서 반드시 포획된 것은 아니고, 순행하는 위성이라 해서 반드시 동시 성장한 것은 아니다. 예컨대, 화성의 위성인 포보스와 데이모스는 포획된 위성이지만, 순행 궤도를 돌고 있다. 그래서 이러한 경우에는 위성 표면의 성분을 분석하고, 모해성이나 다른 소행성 등과 비교함으로써 판단하게 된다.
달의 기원을 살펴봄으로써 초기 지구에 거대한 천체가 충돌한 일을 추측할 수 있듯이, 위성을 탄생한 경위는 모행성이 어떻게 태어나고 어떻게 성장해 왔는가를 파악하는 단서가 된다.
2. 소천체에서만 얻을 수 있는 정보
2-1. 소행성에서 얻을 수 있는 정보
태양계에서 행성 등의 큰 천체는 대략 46억 년 전에 '미행성'이라는 지름 10km 정도의 천체가 서로 충돌과 합체를 되풀이하면서 행성을 형성한 것으로 생각된다. 하지만 충돌이 계속되면, 충돌에 의해 개방된 에너지가 열로 축적되어 행성 온도가 상승하면서 고온이 되고, 암석이 질척질척하게 녹으면 그 성분이 변한다. 지구, 화성, 금성 등의 행성은 모두 한차례 녹았다고 생각한다. 그리고 지구에는 바다가 생기고 '판(Plate)'에 의한 지각 변동과 화산의 분화도 일어나, 지금은 지구 탄생 당시의 흔적은 남아있지 않다. 더욱이 녹을 때 '철(Fe)'이나 '니켈(Ni)'같은 무거운 성분은 천체의 중심으로 모이고, 가벼운 성분이 표면으로 떠오른다. 이것을 '분화'라고 하는데, 그렇게 되면 표면의 물질에서 얻을 수 있는 한정적인 정보로 녹기 전의 상태를 추측할 수밖에 없다.
하지만 소행성 같은 소천체는 그렇게 대규모로 녹은 일이 없고, 더욱이 표면 내부까지 균질한 재료로 이루어져 있다고 생각된다. 즉, 대부분의 소천체는 '분화'되지 않고, 그 천체가 생길 당시에 그 장소에 어떤한 물질이 있었는가를 잘 보존하고 있는 셈이다. 이것이 소행성을 '태양계의 화석'이라고 생각하는 이유이다. 이러한 '화석'의 표면의 샘플을 수거하면 태양계가 생긴 초기의 상태를 알 수 있을 것이다.
하지만 소행성에도 다양한 유형이 있다. 하야부사1이 샘플을 채취한 '이토카와'는 'S형 소행성'로, 주된 재료가 규소질인 소행성이다. 반면 '하야부야2'가 터치다운한 소행성 '류구'는 'C형 소행성'으로 분류된다. C형 소행성도 암석으로 이루어져 있지만, 물과 유기물을 포함할 것으로 생각되며, 원시 지구에 물과 유기물을 가져온 천체일 가능성이 있다. 결국 C형 소행성에 물과 유기물이 실제로 포함되었음을 확인할 수 있다면, 지구의 바다와 생명을 생성한 물질의 기원을 밝힐 수 있을 것이다.
2-2. 혜성에서 얻을 수 있는 정보
마찬가지로 '혜성 탐사'도 '소행성 탐사'와 마찬가지의 의미를 가진다. 주기가 200년 이하인 '단주기 혜성'의 고향은 해왕성 궤도의 바깥쪽에 있는 태양계의 가장자리이다. 따라서 우리가 혜성을 일부로 찾아가지 않아도, 지구 근처를 지나가는 혜성은 태양계 초기의 정보를 스스로 운반해 오는 셈이다.
2-3. 소천체 중에서도 큰 것에서 얻을 수 있는 정보
현재 남아 있는 소천체의 다수는 '분화'하지 않은 상태이기 때문에 행성의 원재료가 거의 그대로 보존되어 있다. 그런데 이렇게 작은 소천체 말고, 소천체 중에서도 좀 큰 것들은 분화한 천체들이 있다. 내부가 분화한 소천체 중에서도 큰 것 또는 왜소행성은 일종의 행성의 '병아리'같은 것이라고 할 수 있다. 따라서 이런 소천체를 탐사하면, 태양계 초기에 미행성에서 행성으로 성장하는 도중의 단계를 밝힐 수 있을 것이다.
3. 소천체의 연구
3-1. 태양계 형성의 비밀을 밝힌다.
소천체의 연구는 태양계 형성기에 어떤 일이 일어났는지 그 시나리오를 검증하는 것으로 이어진다. 종래의 태양계 형성 이론은 지구사에 있는 물질의 정보가 아니라, 소천체의 파편이 '운석(Meteorite)'과 '우주먼지'의 물질 분석에 근거해 만들어졌다. 지구상의 물질은 바다와 하늘과 지상을 순환하거나 비바람이나 생명 활동에 의해 화학적으로 변해 있어, 46억 년 전에 태양계가 생길 무렵의 물질 정보를 추출할 수가 없기 때문이다.
3-2. 생명 탄생의 비밀을 밝힌다.
지금도 지구에는 소천체와 그 파편이 계속 쏟아지고 있고, 그 파편 가운데는 지구의 바닷물이나 생명의 원재료가 되는 '아미노산(Amino Acid)' 등의 유기물을 가진 것도 있다. 그래서 소천체 연구는 생명을 기르는 환경이 된 지구의 바다의 기원이나 우주 공간의 어디에서 생명의 재료가 어느 정도까지 만들어져 지구로 유입되었는지를 알아내는 것으로도 이어진다.
3-3. 소천체의 채취
소천체의 파편은 우주먼지나 운석으로 현재도 '지상', '해저', '성층권(Stratosphere)'에서 채취된다. 하지만 각각의 물질이 어느 천체에서 어떤 궤도를 거쳐 지구에 이르렀는지 그 유래는 알지 못한다. 그래서 탐사선 등으로 유래를 알 수 있는 물질을 얻는 것이 요구된다.
근년에는 소행성 탐사선이 표면 물질을 직접 조사함으로써, 여러 가지 운석과의 대응 관계가 비로소 확실해져 운석의 기원이 밝혀지고 있다. 예컨대, 소행성 탐사선 '하야부사(Hayabusa)'가 가지고 돌아온 S형 소행성 '이토카와(Itokawa)'의 샘플 분석을 통해, 지구상에서 흔히 발견되는 '보통 콘드라이트(Ordinary Chondrite)'라는 암석질 운석은 S형 소행성의 파편임이 확인되었다.