태양계 이야기 19 - 명왕성과 카론

  (주의 : 이 내용은 다소 오래된 것으로 뉴 호라이즌의 명왕성 탐사가 이뤄지는 시점에서 대대적인 리뉴얼이 있을 계획임을 밝혀둡니다. 그 때까지 명왕성의 위성 관련해서는 맨 아래 링크의 2013 년 부분을 참조해 주십시요) 

 1. 명왕성과 카론의 발견

 과거 태양계의 마지막 행성이다가 이제 왜소행성이 된 이 별은 사실 해왕성과 비슷한 사연을 가진 별이다. 즉 천왕성과 마찬가지로 해왕성의 궤도 또한 다소 계산과 맞지 않았기 때문에 당시 천문학자들은 해왕성 바깥에 중력을 행사해서 해왕성의 궤도를 변화시키는 미지의 행성 "행성 X (planet X)" 가 있다고 생각했다.

 그래서 1930년 클라이드 톰보 (Clyde Tombaugh) 가 명왕성을 처음 발견했을 때, 그는 자신이 이 행성 X 를 찾았다고 믿었다. (그러나 훗날 밝혀진 바에 따르면 해왕성의 궤도가 맞지 않았던 것은 당시 해왕성의 질량을 잘못 계산한데 나온 사소한 오류였다) 발견 당시에는 이 천체가 지구만한 크기로 생각되었기에 클라이드 톰보는 물론 다른 천문학자들도 이 천체가 새로운 9번째 행성임을 의심하지 않았다.

(오늘날 관측한 명왕성과 그 위성들 - 카론, 닉스, 히드라)

 (로웰 관측소의 천문학자 클라이드 톰보)

 당시 천문학계에서는 이 행성 X 에 대해서 수많은 이름을 제시했다. 아테네, 헤라, 미네르바, 아르테미스, 헤라클레스, 이카루스 등 그리스 - 로마 신화의 주인공들을 총 망라한 듯한 이름이 제시되었으나 결국 채택된 것은 저승신 플루토 (Pluto) 였다. 앞서 이야기 했듯이 그는 주피터(목성), 넵튠(해왕성) 의 형제이니 새로운 행성 이름으론 적격인듯 했다. 그리고 머나먼 태양계 끝에 있는 행성이 아닌가? 저 머나먼 저승세계의 이름이 이 행성의 이름으로 적당해 보였다.

 (명왕성 (가운데 큰 점) 옆에 카론, 위에는 닉스와 히드라도 보인다. 켁 망원경 사진)

 한참이 흐른 뒤인 1978년 천문학자들은 이 마지막 행성이 외롭지 않은 존재라는 것을 알았다. 위성인 카론 (저승의 뱃사공의 명칭이다) 을 발견했기 때문이다. 그런데 이 카론의 발견은 명왕성에 대해서 몰랐던 부분은 확실하게 알게 해주었다. 카론의 공전 운동으로부터 명왕성의 명확한 질량을 알게된 것이다.

2. 행성의 지위를 잃다.

 앞서 이야기 했듯이 명왕성은 해왕성에 중력을 행사할 정도의 크기는 되야 했기 때문에 그 질량은 거의 지구만한 것으로 생각되었다. (1955년) 그러나 이 별이 워낙 멀리 있어 작은 점으로 밖에 보이지 않기 때문에 정확한 질량과 크기를 측정하기 어려웠다. 주변에 위성이라도 있다면 위성의 공전 속도, 크기 등으로 부터 그 질량을 계산할 수 있지만 카론이 발견된 건 한참 후였다.

(처음 발견했을 때는 작은 점이었다. )

 명왕성은 1971년에 보다 정확한 관측을 통해 화성만한 크기 (지구의 1/2 축소 사이즈이다) 로 크기가 축소 되었다. 그런데 1976년 일단의 과학자들은 명왕성의 알베도를 처음 계산했고, 이 행성이 메탄 얼음으로 뒤덮혀서 밝게 반사된다는 사실을 알았다. 이것을 달리 말하면 명왕성이 크기에 비해 밝게 빛나기 때문에 관측된 것 보다 더 작다는 것을 의미했다. 당시 과학자들은 명왕성이 지구 질량의 1%도 안될 수 있음을 예측했다.

 1978년 마침내 위성인 카론이 발견되자 과학자들은 명왕성이 지구 질량의 0.21% 이고 부피는 0.59% 에 불과함을 알았다. 반지름은 1151km 로 지구의 1/5 정도였고, 달은 물론 태양계에서 일곱번째로 큰 위성 트리톤 보다도 작은 행성이었던 것이다. 한마디로 명왕성은 그 크기에서 '행성의 굴욕'이었다.

 (명왕성과 지구의 크기 비교 )

 그러나 이때까지만 해도 명왕성은 가장 큰 소행성인 세레스 보다 지금이 2배는 컸기 때문에 간신히 행성의 지위를 유지할 수 있었다. 명왕성이 행성의 지위를 잃게 된 결정적 사건은 명왕성이 속한 카이퍼 벨트에서 다수의 TNOs (Trans Neptunian Objects) 들이 발견되었기 때문이다. 그들 중 새로 발견된 에리스등 새로운 천체는 명왕성 보다도 크기가 컸다. (  http://blog.naver.com/jjy0501/100066242667  참조)

 이 이야기는 명왕성이 행성 지위를 유지하려면 새롭게 발견된 천체중 명왕성만한 것들은 모두 새로운 행성이 되어야 한다는 이야기 였다. 이에 2006년 천문학자들은 결론을 내렸다. 이제 명왕성 만한 천체가 태양계에 하나가 아님을 알게된 천문학자들은 명왕성이 발견된 지 76년만에 행성에 지위에서 끌어내리기로 결정한다. 행성보다 한단계 낮은 '왜소행성' 이 된 것이다. 많은 이들이 아쉬워 했지만 태양계의 행성이 대거 늘어나는 혼란을 피하기 위한 고육지책이었다. (참고로 행성 지위를 잃으면서 134340 라는 번호도 얻었다)

(결국 행성지위에서 쫓겨나는 명왕성 - 그런데 그림에서 명왕성 크기가 좀 크게 그려졌다. 아마추어 천문학도들 말고도 웹툰 '정글고' 팬분들도 섭섭할 듯 하다.)

3. 명왕성의 일반적 특징

 일단 현재까지 탐사선이 간 적이 없기는 하지만 과학자들은 명왕성에 대해서 이전보다 많은 사실을 알게되었다. 명왕성의 크기는 앞서 이야기 했듯이 반지름 1151km 로 지구의 1/5 정도이며, 질량은 0.21%, 부피는 0.59%에 불과하다. 심지어 달하고 비교해도 질량이 1/5이 안된다.

 궤도는 이심률이 큰 타원 궤도를 돌고 있는데 (이심률 - 0.248)이런 점에서도 다른 행성들과는 다르다고 하겠다. 궤도는 29 - 49 AU (AU - 대략 1억 5천만 km, 약 44억 - 74억km) 인데 평균 39AU 로 약 59억 km 정도 되는 궤도를 돈다고 생각하면 되겠다. 그러나 명왕성이 태양에 가까워질 때에는해왕성 궤도 안쪽으로도 공전한다. 1979 년에서 1999년까지 명왕성은 해왕성 궤도 안쪽에서 공전했다 (위의 그림)

(명왕성(pluto) 는 타원의 기울어진 궤도를 돌고 있다)

 명왕성의 공전주기는 248년이다. 자전 주기는 6일 하고도 9시간 17분이 더 걸린다. 적도 표면 중력은 0.058G 로 지구 중력의 5.8%에 불과하다. 표면 기온은 영하 230도 정도로 생각되며, 메탄등의 기체가 고체 상태로 얼어있기 때문에 나중에 인간이 우주 개척을 할 때 메탄이 필요하다면 가장 쉽게 얻을 수 있는 - 중력이 낮기 때문에 가지고 나가기도 편하다 - 천체이기도 하다.

(명왕성의 구조에 대한 상상도)

 명왕성의 밀도는 2 g/㎤ 정도인데, 아마도 암석의 핵과 얼음으로 된 맨틀층을 가지고 있지 않을까 생각된다. 다른 카아퍼 벨트의 왜소행성들도 아마 마찬가지 일 것으로 생각된다.

 명왕성의 표면은 허블 우주 망원경등의 관측으로 일단 메탄의 얼음등이 존재하며, 그 표면이 밝기가 균일하지 않고 얼룩이 져 있다는 사실을 알고 있다. 아마 탐사선이 실제로 도달해서 명왕성의 표면을 관측하면 다양한 지형이 있지 않을 까하는 추측을 해볼 수 있다. 그러나 현재 명왕성을 향하고 있는 뉴호라이즌 호가 도착하기 전까지는 정확한 것은 알 수 없다.

 (카론과의 월식을 토대로 구성한 명왕성의 알록달록한 표면)

(지구에서의 관측을 토태로 추측해본 명왕성과 카론, 히드라, 닉스의 모습)

 한편 이 명왕성은 놀랍게도 대기를 가지고 있다. 물론 옅은 대기이긴 하지만 이 왜소 행성이 태양에 근접 (약 태양에서 45억 km 정도) 하게 되면 메탄과 질소의 일부가 증발해서 대기를 만드는 것 같다. 명왕성이 다시 태양에서 멀어지면 다시 대기는 얼어버린다.

 한마디로 여름철에만 대기가 있는 셈인데, 이는 명왕성이 일그러진 타원 궤도를 돌기 때문에 생기는 현상이다. 이런 연유로 나사에서는 명왕성 및 카이퍼 벨트 탐사선 뉴호라이즌 호를 대기가 존재하는 시기에 보내기 위해 서둘러서 발사한 것이다. 너무 늦게 가면 대기를 관측 할 수 없기 때문이다.  

 대기에 있어 한가지 재미있는 점은 냉실효과라고 부를 만한 반 온실효과 (antigreenhouse effect) 이다. 이것은 표면의 메탄, 질소등의 얼음이 승화 (sublimate : 얼음이 바로 기체가 되는 것) 되면서 명왕성의 희박한 대기를 만드는데 이때 승화될 때 열에너지를 빼앗아 온도를 떨어뜨리는 것이다. 그래서 명왕성의 표면 기온이 예상보다 10도나 낮은 영하 230도 정도라고 생각된다.

(탐사선 뉴 호라이즌 호가 명왕성의 대기를 관측하는 모습. 2015 년 7월 경에는 명왕성에 도달할 예정이다)

 4. 카론

 명왕성의 가장 특이한 점은 바로 그 위성이랄 수 있는 카론이다. 문제는 카론이 명왕성과 크기 차이가 작다는 것이다. 대략 카론의 크기는 명왕성의 1/2 축소 사이즈인데 (반지름 603km) 질량 차이는 1:8 정도로 (명왕성의 11.6%) 태양계의 위성들 가운데 모성과의 차이가 가장 적다고 할 수 있다. 그런 연유로 명왕성과 카론이 서로 공전하는 질량 중심은 명왕성 바깥에 있다.

(미국을 배경으로 본 명왕성과 카론의 크기 - 모성과 위성 차이중 가장 작다. 따라서 모성 - 위성 으로 볼 것인지 쌍성계로 볼 것인지가 문제이다)

 사실 지구가 태양 주위를 돈다고 할 때 명확히는 태양과 지구의 질량 중심을 돈다고 할 수 있다. 그러나 태양의 질량이 워낙 크기 때문에 거의 지구가 태양 중심을 원궤도로 도는 것 처럼 보인다. 태양은 지구의 영향을 거의 받지 않는다.

 반면 지구와 달의 경우에는 질량 중심이 지구 내부에 있긴 하지만 그래도 크기 차이가 좀 적기 때문에 지구도 움직임의 영향을 받는다. 다른 행성과 위성의 경우는 지구와 달보다 크기 차이가 더 나기 때문에 이런 영향이 지구보다 적다. 사실 카론과 명왕성이 알려지기 전까지 지구와 달이 모성과 위성 크기의 차이가 가장 적은 경우였다.

 그런데 명왕성과 카론의 경우에는 아예 질량 중심이 바깥에 있다. 이는 카론이 명왕성 주위를 돈다기 보다는 명왕성과 카론이 두 천체의 질량 중심 주변을 서로 돈다고 표현하는 것이 맞다. 일종의 아령처럼, 혹은 껴안고 춤추는 남녀처럼 서로를 처다보고 돌고 있는 것이다. (즉 같은 면만 바라보고 돌고 있다)

 이를 이해하기 쉬운 애니메이션 파일로 올린 것이 위키 한글판에 있다. ->http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A7%88%EB%9F%89_%EC%A4%91%EC%8B%AC 

 여기를 참조해 보자. 질량 중심에 대한 글에 밑에 보면 재미있는 그림 파일을 볼 수 있다. 백문이 불여일견이라고 위의 말이 한번에 이해가 될 것이다.

 한편 카론과 명왕성은 그 거리가 불과 19640km 에 불과하다. 아주 가까운 거리에서 돌고 있는 것이다. 그리고 이 위성은 명왕성의 공전축과는 거의 수직에 가깝게 돌고 있다. 이 관계를 나타낸 그림이 아래에 있다.

 (카론은 명왕성 공전축에서 보면 남북으로 공전한다. 공전 주기는 6.4일 정도다)

 그 생성원인에 대해서 명왕성과 카론은 카이퍼 벨트의 천체들로써 우연히 서로의 중력에 이끌려 포획된 이후 운명적(?)으로 서로를 춤추듯 돌고 있을 가능성도 있다. 하지만 과학자들 중에는 지구와 달과 비슷하게 카론과 명왕성의 모태가 되는 두 천체가 중돌후 형성되었다는 가설도 있다. (아래 그림)

(두개의 왜소 행성이 충돌 후 뭉처서 명왕성과 카론이 된다는 가설)

 아무튼 명왕성과 카론은  태양계 내의 일종의 쌍성계라고 볼수 있다. 이런 이중행성계는 사실 항성들에서는 흔하지만 태양계 내에서는 드문 편이다.

 2006년의 국제 천문학회는 카론을 위성으로 볼 것인지 명왕성 - 카론 쌍성계로 볼 것이지 완전히 결정하지 못했다고 한다. 사실 어찌보면 카론은 위성 보다는 쌍성계에 더 가깝다. (즉 크기가 다른 왜소행성끼리 서로 돌고 있다는 이야기이다) 그래서 포스트 제목을 명왕성과 위성이 아니라 명왕성과 카론으로 정했다.

 2005년 허블 우주 망원경은 명왕성 - 카론 주위를 도는 2개의 위성을 추가로 발견했다. 그 명칭은 닉스와 히드라로 정해졌다. 그런데 거의 아령처럼 도는 행성 주위를 또 2개의 위성이 돌고 있으니 그 움직임은 매우 복잡할 듯 싶다. 참고로 닉스의 지름은 44~130km, 히드라의 지름은 60~165㎞정도이고 명왕성 - 카론계에서 다소 떨어진 거리를 돌고 있다.

 덧) 2011 년에 명왕성의 새로운 위성이 발견 -  http://blog.naver.com/jjy0501/100154895986

        2013 년 명왕성의 4/5 번째 위성의 명칭 결정 : http://blog.naver.com/jjy0501/100191220297