웹·허블이 포착한 27개 미소 천체, 적지만 ‘태초의 기억’은 보존했다

해왕성 너머의 어두운 카이퍼대에서 새로 확인된 27개 천체가 태양계 초기의 단서를 내놓고 있다. 제임스 웹 우주망원경과 허블 우주망원경의 공동 관측은 이 초희미 해왕성횡단천체(TNO)가 예상보다 적다는 사실과, 동시에 각 천체가 형성된 환경과 연결되는 색의 특징을 여전히 지니고 있다는 사실을 보여줬다. 1

이 조합이 핵심이다. 작은 천체를 대거 없앨 만큼 강한 과정이 있었다면 표면도 새로 덮이거나 뒤섞였을 법하다. 그러나 이번 관측은 아주 작은 TNO도 초기 환경의 흔적을 보존할 수 있음을 시사한다.

웹과 허블이 찾아낸 것

연구진은 해왕성 바깥의 얼음 천체 집단인 카이퍼대에서 이전에 알려지지 않았던 TNO 27개를 찾아냈다. 이들 중 일부는 지금까지 직접 검출된 TNO 가운데 가장 작고 희미한 축에 든다. 연구 결과는 The Astronomical Journal에 실린 두 편의 상호 보완적 논문으로 보고됐다. 15

웹은 근적외선 카메라(NIRCam)를 이용한 매우 깊은 적외선 관측으로 천체를 검출했고, 허블은 가시광선 관측을 통해 색과 궤도 특성을 파악하는 데 기여했다. 13

다만 망원경이 이 먼 천체들을 원반 모양으로 분해해 본 것은 아니다. 크기는 관측된 밝기를 바탕으로 추정하며, 이때 표면 반사율인 알베도에 관한 가정이 필요하다. 따라서 이번 성과는 개별 천체마다의 확정적 물성 측정보다는, 천체 집단 전체의 경향을 보여주는 결과에 가깝다. 1

가장 작은 천체가 예상보다 적었다

이번 탐사는 기존의 직접 탐색보다 TNO 밝기 분포에서 더 어두운 영역까지 도달했다. 분석 결과, 아주 작은 천체는 더 큰 TNO의 분포를 단순 외삽했을 때 예상되는 수보다 덜 흔한 것으로 나타났다. 13

이는 외태양계에서 행성의 고체 재료가 된 미행성(행성 형성 초기의 작은 고체 천체)이 어떻게 만들어지고 진화했는지를 설명하는 모형에 도전장을 던진다. 다만 이 결과만으로 작은 천체가 부족한 원인을 특정할 수는 없다.

현재 가능한 설명은 크게 두 가지다.

1. 태초부터 적었을 가능성: 미행성 형성 과정이 많은 모형의 예상보다 아주 작은 천체를 적게 만들었을 수 있다.
2. 나중에 줄었을 가능성: 처음에는 많았지만, 충돌과 이후의 궤도 진화 과정에서 작은 천체가 우선적으로 파괴되거나 제거됐을 수 있다. 1

‘색’이 알려주는 중요한 단서

가시광선과 적외선으로 측정한 색은 TNO 표면 성질을 보여주는 대략적인 지문 역할을 한다. 새로 발견된 천체들도 큰 TNO에서 이미 확인된 색의 관계를 따랐다. 동역학적으로 차가운 집단과 동역학적으로 뜨거운 집단은 서로 다른 색 경향을 보였다. 1

여기서 동역학적으로 차갑다는 말은 실제 온도가 낮다는 뜻이 아니다. 궤도 경사각 등이 비교적 작고, 궤도가 덜 교란된 집단을 가리킨다. 반대로 동역학적으로 뜨거운 천체는 더 크게 교란된 궤도를 가지며, 태양계 초기 진화 과정에서 이동하거나 흔들린 집단과 대체로 연결된다.

중요한 것은 이 집단별 색 차이가 새로 관측된 극소형 천체에서도 유지됐다는 점이다. 충돌, 침식 또는 다른 과정이 태양계 역사 동안 이들의 표면 정보를 완전히 덮어쓰지는 못했을 가능성을 뜻한다. 12

카이퍼대 진화 모형이 풀어야 할 퍼즐

천체 수의 분포와 색의 증거는 함께 설명돼야 한다.

작은 TNO의 부족이 태초부터 존재했던 현상이라면, 형성 모형은 작은 미행성을 비교적 적게 만들면서도 동역학적으로 차가운 집단과 뜨거운 집단의 서로 다른 표면 조성 역사를 보존하는 과정을 설명해야 한다.

반대로 충돌이 나중에 작은 천체를 많이 제거했다면, 그 충돌과 관련 과정은 천체 수를 줄이면서도 서로 다른 탄생 환경을 가리키는 색 차이를 지우지 않는 방식이어야 한다. 바로 이 긴장이 이번 결과의 가치를 높인다. 카이퍼대의 초기 크기 분포와 이후 진화가 얼마나 격렬했는지를 동시에 제한하기 때문이다. 1

연구진과 관측의 한계

상호 보완적인 두 분석은 박사과정 연구자인 아나스타샤 N. 모건과 마리엘 R. 에두아르도가 이끌었다. 한 연구는 초희미 TNO의 광도 함수, 즉 밝기와 개수의 분포에 초점을 맞췄고, 다른 연구는 색·조성·동역학적 집단의 해석을 다뤘다. 357

연구진은 이 프로그램을 현재까지 가장 깊이 있는 TNO 연구로 설명한다. 이전에는 더 밝은 천체들에서 주로 추론하던 영역으로 직접 관측 범위를 넓혔다는 의미다. 1

그러나 제한된 관측 영역에서 발견된 27개 천체가 카이퍼대 전체의 완전한 인구조사는 아니다. 이번 조사만으로 개별 천체의 정확한 지름, 알베도, 상세 조성 또는 작은 천체 부족의 궁극적 원인을 확정할 수는 없다. 결론은 개별 천체의 확정 진단보다는 집단 수준의 경향에 가장 강하며, 차세대 미행성 형성·충돌 진화 모형을 시험할 더 엄격한 기준을 제공한다. 114

핵심은 단순히 희미한 천체 27개를 새로 발견했다는 데 있지 않다. 이 작은 세계들은 수로는 예상보다 부족했지만, 표면의 색에는 자신이 어디서 비롯됐는지에 관한 오래된 기억을 간직한 듯 보인다.