카이퍼 벨트의 ‘우주 눈사람’ 정체는 중력 붕괴가 만든 접촉쌍성

해왕성 너머 태양계 끝자락에는 얼음과 암석으로 이루어진 아주 오래된 천체들이 모여 있는 카이퍼 벨트가 있다. 이곳에는 태양계가 막 형성되던 시기의 흔적이 그대로 남아 있는데, 그중 상당수가 마치 눈사람처럼 둥근 두 덩어리가 붙어 있는 독특한 모양을 하고 있다.

과학자들은 오랫동안 이 두 덩어리, 즉 ‘접촉쌍성(contact binary)’이 어떻게 만들어졌는지 이해하지 못했다. 강한 충돌이 있었다면 부서졌을 가능성이 크기 때문이다.

그런데 최근 미국 미시간주립대학교 연구진이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 미스터리에 대한 설득력 있는 해답을 제시했다. 연구진에 따르면, 특별한 폭발이나 어떤 이례적인 사건이 아니라 ‘중력 붕괴’라는 비교적 단순한 과정만으로도 이런 우주 눈사람이 만들어질 수 있다고 한다.

우주 눈사람의 미스터리

화성과 목성 사이의 소행성대보다 훨씬 바깥, 해왕성 궤도 너머에 자리한 카이퍼 벨트는 태양계 초기에 형성되고 남은 잔해들이 모여 있는 지역이다. 이 잔해들 가운데 상당수는 미행성으로 불리는데, 이는 행성이 완성되기 전 단계의 비교적 작은 천체를 뜻한다.

연구에 따르면 이 미행성의 약 10%가 접촉쌍성으로 분류되며, 둥근 두 개의 덩어리가 서로 맞닿은 눈사람 형태를 띤다. 그동안 학계에서는 특이한 생성 조건이 형성됐을 때 이런 모양이 만들어진다고 설명했지만, 그러기에는 이 눈사람 형태가 너무 흔하게 발견되었다.

중력 붕괴를 뒷받침한 새로운 시뮬레이션

이번 연구의 핵심은 보다 현실적인 물리 법칙을 반영한 컴퓨터 시뮬레이션에 있다. 연구진은 미시간주립대학교 고성능 컴퓨팅 시스템을 활용해, 천체가 형성되는 초기 과정을 정밀하게 계산하는 모델을 개발했다. 기존 모델은 충돌하는 두 천체가 마치 액체처럼 하나의 매끈한 구체로 합쳐진다고 단순화했기 때문에, 두 덩어리가 그대로 남아 있는 형태를 재현하기 어려웠다. 그러나 이번 시뮬레이션에서는 형성 중인 천체가 일정한 구조적 강도를 유지하도록 설정해, 두 물체가 격렬하게 부딪혀 하나로 녹아드는 대신 천천히 서로 끌어당겨 부드럽게 맞닿도록 구현했다.

그 결과, 두 천체가 서로를 공전하다가 점점 가까워져 조용히 붙는 과정이 자연스럽게 나타났고, 눈사람과 같은 두 덩어리 구조가 형성됐다. 이는 태양 주변을 돌던 먼지와 자갈이 중력에 의해 서서히 뭉쳐 커다란 덩어리가 되는 과정, 즉 중력 붕괴가 접촉쌍성을 생성하는 원리일 수 있음을 보여준다.

뉴호라이즌스 탐사선과 카이퍼 벨트의 발견

이 같은 눈사람 모양 천체가 대중의 관심을 끈 건 2019년 1월, NASA의 탐사선 뉴호라이즌스가 카이퍼 벨트 천체 ‘2014 MU69’를 근접 촬영하면서부터다. 촬영된 이미지는 두 개의 둥근 덩어리가 붙은 독특한 모습을 선명하게 보여주었고, 이후 과학자들은 다른 카이퍼 벨트 천체들에서도 유사한 구조가 흔히 목격된다는 사실을 확인했다.

카이퍼 벨트는 밀도가 낮아 충돌이 비교적 드문 지역이기 때문에, 이렇게 형성된 구조가 수십억 년 동안 그대로 유지될 수 있다. 전문가들은 “이번 연구는 중력 붕괴 가설을 처음으로 정식 물리 모델 안에서 검증했다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 세 개 이상이 연결된 더 복잡한 천체 구조 연구에도 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구팀은 향후 더 정교한 시뮬레이션을 통해 붕괴하는 가스와 먼지 구름의 거동을 더욱 정확히 재현할 계획이다. 앞으로도 NASA의 추가 탐사가 이어진다면, 태양계 외곽에서 또 다른 ‘우주 눈사람’이 발견될 가능성은 충분하다.

성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr

출처: ScienceDaily, “Why the outer solar system is filled with giant cosmic “snowmen””