[비센의 재미있는 과학 이야기]

 

새 행성 찾기 위한 인류의 노력 계속되고 있어

 

“수금지화목토천해명”

 

어릴적 외우던 태양계의 행성들의 이름으로 많은 분들이 기억하고 계실 것입니다. 하지만, 많은 분들이 이미 아시다시피 이 중 마지막인 명왕성이 크기 등의 문제로 인해서 2006년 더이상 행성으로서의 지위를 잃고 왜행성으로 강등 당했습니다.

 

이때 명왕성이 행성 자격이 없다고 강하게 주장했던 천문학자 중에 한명이 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 브라운(Michael E. Brown) 교수였습니다.

 

그런데, 매우 흥미롭게도 브라운 교수와 그의 동료 콘스탄틴 바티긴(Konstantin Batygin) 교수가 지난 1월 20일 명왕성이 아닌 다른 태양계의 아홉번째 행성이 존재할 가능성이 있다고 발표했습니다.

 

하지만, 많은 분들이 기대하시는 것과는 달리, 이들 연구진은 아홉번째 행성이라고 추정되는 행성을 직접 관측한 것이 아니라, 그러한 행성이 있을 수 밖에 없을 것이라는 간접적 증거를 발견한 것입니다.

 

태양계에서 태양을 중심으로 돌고 있는 것은 여덟개의 행성 뿐만 아니라, 많은 작은 왜행성, 소행성들이 있습니다.

 

특히 이들 대부분은 화성과 목성 사이, 그리고 해왕성 바깥쪽에 먼지 구름과 같은 모습이로 모여서 태양을 중심으로 돌고 있는데, 화성과 목성 사이의 소행성들이 많이 모여있는 영역을 소행성대(Asteroid belt), 그리고 해왕성 바깥쪽에 위치한 소행성들의 영역을 카이퍼 대(Kuiper belt)라고 부릅니다.

 

이번 연구진들의 관측결과는  카이퍼 대에 위치한 여섯개의 소행성의 궤도가 같은 각도로 휘어져 있다는 것을 발견한 것입니다. 그럼 그 멀리 있는 여섯 개의 소행성의 궤도가 동일한 방향으로 기울어져 있는 것이 어떻게 행성의 발견과 연결될 수 있는 것일까요?

 

우리가 구슬을 한 손에 쥐고서 모래바닥에다 한꺼번에 던진다면 구슬들이 한쪽 방향성을 갖고 퍼져 나가는 형태의 자국을 모래바닥에 남기게 되는 것을 상상할 수 있습니다.

 

이렇게 여러개의 입자가 한쪽 방향성을 갖고 나아가는 결과를 보인다면, 이는 ‘한손으로 던져졌다는’ 동일한 원인에 의해서 일어난 일이라는 것을 이해할 수 있습니다. 또한 아무런 인과관계를 갖지 않는 입자들이 이렇게 동일한 방향성을 갖는다는 것은 매우 낮은 확률을 갖을 것이라는 것도 쉽게 이해하실 수 있으실 것입니다.

 

연구진은 여섯개의 소행성의 궤도에서 이와 같은 동일성을 발견하게 된 것이고, 이 동일성이 우연히 갖게 된다는 것은 수학적으로 1만분의 1보다도 낮은 확률이라는 것을 계산함으로써 이러한 현상이 일어나는 것은 ‘한손으로 던져지는’ 것과 같은 하나의 원인에서 비롯된 것이야 한다는 것을 주장하는 것이고, 그것이 바로 이들의 궤도에 영향을 미칠 수 있을 만큼의 질량을 갖은 커다란 행성이 근처에 있어야만 한다는 결론을 얻게 된 것입니다.

 

소행성들의 궤도의 변형으로부터 계산된 연구 결과에 따르면, 아홉번째 행성으로 추정되는 행성은 지구보다 약 2배 이상의 질량을 갖고, 태양 공전주기는 약 1만 년 이상이 될 것으로 예상된다고 합니다.

 

실제적으로 행성을 관측한 것도 아니면서, 이런 계산 결과만으로 '어떻게 행성이 있을 것이라고 발표할 수 있나'라고 생각하실 수도 있지만, 사실 해왕성(neptune)도 사실 처음 관측에 의해서가 아니라 수학적 계산 결과에 의해서 세상에 먼저 알려진 후에 실제로 관측된 행성입니다.

 

1800년대 중반에 프랑스의 과학자 위르뱅 장 조제프 르베이에(Urbain Jean Joseph Le Verrier, 1811-1877)은 천왕성(Uranus)의 궤도에 작지만 규칙적인 불규칙성이 있다는 것을 설명하기 위해 수학적으로 접근한 결과, 천왕성 바깥쪽에 다른 행성이 존재하여, 그의 중력에 의한 영향에 의해 천왕성 궤도에 불규칙성이 생긴다는 것을 설명하였으며, 그의 계산에 의한 예측 지점을 관측한 결과 1846년 베를린 천문대에서 처음으로 해왕성을 발견하게 된 것입니다.

 

그러므로, 이번에 발표된 여섯 소행성 궤도에 관한 이론이 사실이라면, 이들의 예측대로 아홉번째 행성이 발견될 가능성도 충분히 있다고 볼 수 있습니다.

 

하지만, 아홉번째 행성을 찾는 것은 예측에 의해 해왕성을 관측한 것과는 다르게 훨씬 더 복잡하고 쉽지 않을 것으로 예상되고 있습니다. 행성간의 거리를 나타낼 때 사용되는 단위는 AU(astronomical unit)인데, 1AU는 태양에서 지구까지의 거리를 뜻합니다.

 

태양에서 해왕성까지의 거리는 약 30AU정도에 해당하지만, 해왕성 바깥쪽의 카이퍼 대는 넓은 의미로 수백 AU까지 정의되곤 합니다. 즉, 해왕성 바깥쪽 카이퍼 대의 영역이 내부의 여덟개의 행성이 돌고 있는 지역보다도 훨씬 더 넓은 광활한 지역에 해당한다는 것입니다.

 

그렇기에 그 안에서 행성하나를 찾아내는 일은 만만치 않은 일인 것입니다. 게다가 이 지역은 태양으로부터 너무나 멀어 태양빛의 반사도 많지 않아 광학 망원경으로의 관측은 거의 불가능하다고 여겨집니다.

 

얼마전 명왕성 근처를 지나 카이퍼 대 지역으로 순항중에 있는 뉴 호라이즌스(new horizons) 탐사선에 의해 아홉번째 행성이 관측되기를 기대할 수있지 않을까 생각하실 수도 있지만, 행성의 예상되는 주기가 1만년이 훨씬 넘기 때문에 탐사선이 행성을 직접적으로 관측하는 것은 확률적으로 거의 불가능하다고 볼 수 있습니다.

 

그렇다고 해서 무조건 관측이 불가능한것은 아닐것입니다. 언제나 그래왔듯이 인간은 새로운, 또 획기적인 방법을 이용해서 이에 대한 관측을 가능케 만들 것이며, 멀지 않은 미래에 예측된 행성의 존재여부를 가릴 수 있게 될 것입니다.

 

명왕성의 행성으로서의 지위를 놓고 떠들석했었던 때로부터 10년이 지난 2016년, 새로운 아홉번째 행성의 존재 가능성으로 천문학계가 술렁이고 있습니다.

 

앞으로 전 세계의 천문학자들은 이번 연구진의 예상과 같은 아홉번째 행성이 실제로 존재하는 지를 밝히기 위해 박차를 가할 것입니다.

 

석준영 (비센 학원장)

 

UBC 물리학과 박사과정 수료

McGill University Medical Physics 석사

고려 대학교 물리학과 핵물리학 학사 및 석사

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