2020년 12월 14일 밤의 장관 – 별똥별 소나기

국제유성기구(International Meteor Organization)는 2020년 12월 14일 밤(음력 그믐)에 유난히 밝은 별똥별(유성流星)이 수시로 떨어지는 현상(쌍둥이자리 유성우)을 보게 될 것이라고 예보했다. 또한 12월 22일 저녁 7시 경에는 그 동안 서쪽 지평선 위에서 나란히 보이던 목성과 토성이 1623년 이후 가장 가깝게 보이는(서로 붙은 듯한 0.1° 간격) 상황이 된다.

어두운 하늘을 가로질러 밝은 빛을 뿌리면서 화살처럼 내려오다가 사라지는 별똥별(유성)을 보면 탄성이 저절로 나온다. 마치 별이 떨어지는 것 같은 별똥별은 평소에는 자주 보이지 않는다. 그러나 어느 날에는 유난히 많이 나타난다. 이럴 때 그들을 ‘유성우’(流星雨 meteor shower, 운석의 비, 별똥별의 비)라 부른다. 유성우가 쏟아지는 밤하늘을 향해 장시간 노출하는 사진을 촬영하면, 마치 별이 비처럼 쏟아지는 모습으로 나타난다.

유성우가 보일 때 유성들이 지나온 궤적을 반대방향으로 추적하면 한 지점(방사점放射點 radiant point)에 모인다. 그 자리가 페르세우스자리일 때, 그 유성우에 대해 ‘페르세우스자리 유성우’라는 이름을 붙이고 있다. 유성우 종류는 20종 이상 알려져 있으며, 그 중에 페르세우스자리 유성우, 쌍둥이자리 유성우, 사분의자리 유성우 3종은 가장 확실히 볼 수 있는 ‘3대 유성우’이다.

유성우는 혜성 또는 소행성의 부스러기

유성우(별똥별)를 관측할 때는 망원경이 필요하지 않다. 관측가들이 유성우를 기다릴 때는 불빛의 방해가 적은 뒷마당 같은 자리에 드러누워 편하게 중천(中天)을 바라본다. 그리고 그들은 별똥별을 볼 때마다 그 시간을 차례로 기록한다. 1시간 동안에 10개, 20개 또는 그 이상 얼마나 자주 떨어지는지 관측하는 것이다. 금년 12월 14일은 그믐이기 때문에 달빛의 방해도 없다.

우주공간에는 바위처럼 큰 운석(隕石 meteor)도 있지만, 모래알 같은 작은 운석(meteoroid)이 무수히 산재해 있다. 그들은 소행성(小行星 asteroid)에서 떨어져 나온 것도 있고, 혜성(comet)이 지나가면서 흩어놓은 것도 있다.

지구가 태양 둘레를 공전하면서 지나가는 궤도에 모래알 같은 운석들이 있다면, 그들은 지구의 중력에 끌려와 대기층에서 공기와 마찰하면서 고열(高熱)의 빛을 내게 된다. 대부분의 작은 운석은 대기층에서 완전히 타버리지만, 드물게 큰 것은 지상에 떨어진다. 그런 것을 우리는 ‘별똥’(운석)이라 한다.

어떤 혜성이 흰 선으로 나타낸 궤도(comet’s orbit)를 따라 태양에 가까이 가면, 태양에서 오는 강력한 전자기파의 영향으로 혜성의 표면(얼음과 먼지의 덩어리)이 가루처럼 부서져 우주에 흩어진다. 그것이 혜성의 꼬리 모습이다. 그러므로 혜성이 지나간 궤도에는 부스러기들이 항상 남아 있다. 지구는 매년 이런 곳을 지나간다. 그때마다 지구에는 ‘운석의 비’(유성우)가 쏟아지게 된다.

연중 가장 밝은 ‘쌍둥이자리 유성우’(Geminid meteor)

매년 8월이면 페르세우스자리 유성우가 나타난다. 이 유성우가 생기는 이유를 알게 된 때는 1866년이었다. 페르세우스 유성우는 ‘스위프트-터틀’(Swift-Tuttle)이라는 혜성이 지나가면서, 마치 흩날리는 민들레의 씨처럼 혜성의 먼지를 남겨놓은 때문이다. 대부분의 유성우는 혜성의 입자(meteoroid)이지만, ‘쌍둥이자리 유성우’는 페이톤(3200 Phaethon)이라는 소행성에서 떨어져 나온 조각들이다. 소행성은 바위 덩어리이므로 그 입자는 혜성의 가루보다 크고 단단하다.

소행성 페이톤은 1.43년 주기로 태양 주위를 타원궤도로 돈다. 페이톤 소행성에서 떨어져 나온 입자들 때문에 생기는 쌍둥이자리 유성우는 다른 ‘운석의 비'(유성우)에 비해 훨씬 밝게 보인다. 천문학자들의 계산에 의하면, 2020년 12월 14일(북미대륙에서는 13일 밤)에는 ‘페이톤의 운석’이 특히 많이 산재한 공간을 지구가 지나가기 때문에, 다른 해보다 훨씬 자주 황홀하게 빛나는 유성을 시간당 100개 이상 보게 될 것이라고 한다.

2009년에 캘리포니아주 모하비 사막에서 촬영된 쌍둥이자리 유성우 사진이다. 일반적으로 유성 입자의 크기는 모래알 보다 작다. 이들이 지구의 중력에 끌려오다가 대기의 원자나 분자들과 초고속(초속 60km 이상)으로 충돌하면, 유성의 구성 원자들은 큰 에너지를 갖게 되어 뜨거워지므로, 빛을 내면서 증발해버린다. 유성의 빛은 연소에 의한 불꽃이 아니라, 고에너지를 갖게 된 원자로부터 나오는 빛에너지이다.

유성우에 대해서는 2,000년 전부터 기록되었지만, 쌍둥이자리 유성우는 1862년에야 처음 보고되었다. 그 이유는 1시간에 10-20개 정도만 보이고, 빛도 밝지 않았기 때문이다. 그러다가 20세기에 들어와 1시간에 100개 이상 보게 되면서 천문학계의 관심을 끌게 되었다.

일반적으로 소행성은 화성과 목성 사이의 소행성 궤도(밴드)에 몰려 있다. 그런데 특이하게 페이톤 소행성은 이상한 궤도를 돌고 있다. 과학자들은 그 이유를 1983년에야 알게 되었다. 즉 페이톤은 ‘제윗’(Jewitt)이라는 소행성이 다른 소행성과 충돌함으로써 소행성 밴드를 벗어나 돌출(突出)하게 된 것이다.

이후부터 페이톤에 대한 연구가 집중적으로 이루어졌다. 2009년과 2012년에는 NASA가 보낸 관측선(STEREO-A)이 접근하여 정밀관측을 하게 되었다. 페이톤이 태양에 접근하면 표면 온도가 약 1,000℃가 되었다. 그리고 이럴 때 페이톤의 표면 물질들이 입자 상태로 흩어진다는 것도 알게 되었다.

페이톤은 태양 둘레를 돌면서 3시간 36분마다 자체가 1바퀴 회전한다. 이런 회전을 하면, 원심력이 생기고, 그 때문에 표면에서 떨어져나온 가루가 우주로 날려 흩어진다. 페이톤은 직경이 5.8km인데, 이것의 중력은 흩날려가는 입자들을 붙잡지 못할 정도이다. 사진은 NASA가 2017년에 촬영한 페이톤의 회전 영상이다.

지난 2017년, 페이톤은 지구로부터 약 1,000만km 떨어진 가까운 곳을 지나갔다. 그 당시에 최근 지진으로 파괴된 아레시보 전파천문대에서 페이톤의 모습을 관측하기도 했다. 페이톤은 2093년에 다시 지구와 가까워진다. 천문학자들은 관측하기 좋은 이때를 또 기다릴 것이다. – YS

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