웹·허블이 포착한 ‘미니 세계’들… 카이퍼대 충돌 이론에 새 질문

해왕성 바깥을 도는 카이퍼대 천체는 태양계 초기의 잔해로 여겨진다. 그중에서도 작은 천체들은 오랫동안 ‘큰 천체들이 충돌해 부서진 파편’일 것이라는 그림 속에 놓여 있었다. 그러나 허블 우주망원경과 제임스 웹 우주망원경의 공동 심층 탐사는 이 통념에 중요한 물음표를 던졌다.

연구진은 예상보다 적은 초소형 해왕성 너머 천체(TNO)를 확인했고, 이들의 색깔은 같은 궤도 집단에 속한 큰 천체들의 색 경향과 닮아 있었다. 이는 작은 천체가 수십억 년간 충돌로 완전히 갈리고 표면까지 반복적으로 새로워졌다는 단순한 시나리오와 잘 맞지 않는다. 오히려 이들이 태양계 바깥쪽 원시 원반에서 미행성이 만들어질 때의 흔적을 어느 정도 보존했을 가능성을 시사한다. 112

좁은 하늘에서 찾아낸 27개의 희미한 천체

웹의 근적외선 카메라(NIRCam)는 약 0.05제곱도의 하늘에서 이전에 알려지지 않았던 희미한 TNO 27개를 검출했다. 이들은 대체로 지름 40km 이하로 보고됐으며, 한 천체는 약 10km 규모로 추정된다. 허블은 이 가운데 13개를 가시광선으로 다시 포착해, 가시광선부터 근적외선까지 이어지는 색 측정을 가능하게 했다. 112

웹 표본에서 산출한 희미한 쪽 광도함수 기울기는 약 0.29였다. 광도함수는 밝기별 천체 수의 분포를 나타내는 지표다. 값이 의미하는 바는 희미하고 대체로 작은 천체가 늘어나기는 하지만, 큰 천체 집단의 분포를 단순히 연장해 예상한 것만큼 가파르게 증가하지는 않는다는 점이다. 다시 말해, 이번 관측에서는 작은 천체가 여러 행성 형성·카이퍼대 진화 모형의 예상보다 적었다. 12

‘충돌 분쇄’만으로 설명하기 어려운 이유

충돌이 오랜 기간 활발했다면 큰 천체는 끊임없이 부서져 많은 작은 파편을 공급하는 이른바 충돌 연쇄 과정을 거쳐야 한다. 그런데 작은 천체 수가 완만하게 증가한다는 관측은, 현재 보이는 작은 TNO들이 주로 큰 천체의 분쇄 잔해라는 가장 단순한 설명을 약화시킨다. 12

가능한 해석은 하나로 확정되지 않았다. 다만 연구 결과는 다음과 같은 가능성을 열어 둔다.

• 충돌에 의한 침식이 생각보다 약했거나, 활발했던 기간이 짧았을 수 있다.
• 관측 가능한 가장 작은 TNO들이 대부분 충돌 파편은 아닐 수 있다.
• 작은 천체의 수 분포 자체가 태양계 초기에 고체 물질이 미행성으로 뭉쳐진 과정의 흔적일 수 있다. 12

즉, 카이퍼대를 이해하려면 이후의 충돌 역사뿐 아니라 애초에 미행성이 어떤 조건에서, 어떤 크기 분포로 만들어졌는지도 함께 설명해야 한다.

서로 다른 궤도 집단인데, 작은 천체 크기 분포는 비슷했다

TNO는 궤도 특성에 따라 크게 ‘동역학적으로 차가운’ 집단과 ‘뜨거운’ 집단으로 나뉜다. 차가운 집단은 대체로 기울기가 작고 원에 가까운 안정적인 궤도를 돈다. 반면 뜨거운 집단은 궤도가 더 기울어지거나 교란돼 있으며, 태양계의 후기 동역학적 변화와 연관된 것으로 여겨진다.

형성·진화 경로가 다른 이 두 집단에서 작은 천체의 크기 분포가 비슷하게 나타난 점도 눈길을 끈다. 서로 다른 환경에서 형성된 뒤 전혀 다른 충돌 역사를 겪었다면 자연스럽게 기대할 결과는 아니다. 한 해석은 초기 원시 원반의 서로 다른 영역에서도 미행성 형성 과정이 폭넓게 유사한 작은 천체 크기 스펙트럼을 만들었을 수 있다는 것이다. 112

작은 천체의 색은 왜 큰 천체와 닮았나

허블이 13개 천체를 가시광선에서 회수하면서, 연구진은 가시광선과 근적외선에 걸친 색을 비교할 수 있었다. 관측된 작은 TNO들은 충돌로 마구 섞이거나 체계적으로 변한 색을 보이기보다, 각 동역학 집단의 큰 천체에서 이미 알려진 색 관계를 따랐다. 113

이는 두 가지 가능성과 양립한다. 표면 전체를 바꿀 만큼 강한 충돌이 예상보다 드물었을 수 있고, 충돌이 일어나더라도 색을 결정하는 표면 물질의 신호를 모형이 가정한 만큼 쉽게 지우지 못했을 수 있다. 113

특히 중력 상호작용으로 궤도가 크게 바뀐 산란 천체에도 이 결과는 중요하다. 행성과의 중력 작용은 천체를 원래 위치에서 멀리 옮길 수 있지만, 궤도 이동이 곧 표면 조성의 기록을 지우는 것은 아닐 수 있다. 안정적인 궤도 천체와 동적으로 교란된 천체 모두가 태어난 환경의 단서를 간직할 수 있다는 뜻이다. 113

두 박사과정 연구자가 맡은 분석

연계된 두 분석은 각각 다른 질문에 초점을 맞췄다. 미국 노던애리조나대의 아나스타샤 N. 모건은 웹과 허블 영상을 결합해 작은 TNO의 가시광선~근적외선 색과 표면 특성을 분석하는 연구를 이끌었다. 캐나다 빅토리아대의 마리엘 R. 에두아르도는 희미한 천체의 개수 분포, 즉 광도함수를 분석해 완만한 기울기를 측정하는 연구를 주도했다. 1213

두 망원경의 역할은 상호 보완적이었다. 웹은 매우 희미한 적외선 천체를 찾아 탐사의 깊이를 넓혔고, 허블은 일부 같은 천체의 가시광선 정보를 제공해 표면 색을 비교할 수 있게 했다. 112

아직 결론을 서두를 수 없는 이유

이번 조사는 기록적으로 깊었지만, 태양계 외곽 전체를 세는 완전한 인구조사는 아니다. 웹 검출 27개, 허블 가시광선 회수 13개, 관측 면적 약 0.05제곱도라는 제한이 있다. 또한 검출·회수 과정의 선택 효과, 아직 짧은 궤도 관측 구간, 밝기를 지름으로 바꿀 때 필요한 반사율 가정의 불확실성도 결과의 일반화에 제약을 준다. 112

따라서 이 연구만으로 태양계 전체의 크기 분포를 확정하거나, 가능한 모든 미행성 형성 기작 중 하나를 단정할 수는 없다. 지름 약 10~40km라는 범위 역시 훨씬 광대한 TNO 집단의 일부에 불과하다. 112

태양계 초기 원반의 ‘물리적 화석’이 될 수 있을까

이번 결과의 핵심은 그동안 외삽에 크게 의존했던 매우 작은 외곽 천체를 직접 관측의 대상으로 끌어왔다는 데 있다. 이들의 수, 궤도, 색을 함께 살피면 원시 행성계 원반이 미행성을 어떻게 만들었는지, 이후 충돌과 행성 이동이 그 흔적을 얼마나 바꾸었는지를 동시에 제약할 수 있다. 112

더 넓은 영역을 대상으로 한 공동 탐사에서 작은 천체의 완만한 분포와 보존된 색 관계가 반복된다면, 이 작은 얼음 세계들은 태양계 가장 이른 시대를 전하는 놀랄 만큼 오래된 화석 기록이 될 수 있다. 112