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[우주의 속삭임(180)] 태양계 외곽 '우주 눈사람'의 비밀⋯미행성 충돌 속도가 형태 갈랐다
- 태양계 외곽에는 마치 눈사람처럼 두 개의 구형 천체가 맞붙은 독특한 형태의 소천체들이 다수 존재한다. 이른바 '접촉쌍성체(contact binary)'로 불리는 이 구조의 기원을 둘러싼 논쟁에 대해, 최근 새로운 수치 모형 연구가 보다 구체적인 형성 메커니즘을 제시했다. 해왕성 궤도 바깥 카이퍼벨트(Kuiper belt)에는 태양계 형성 초기의 잔해로 여겨지는 얼음질 미행성(planetesimal)들이 분포한다. 이들은 태양을 둘러싼 원시 원반 내에서 자갈 크기의 입자들이 중력에 의해 응집되며 형성된 것으로 추정된다. 2019년 미 항공우주국(NASA)의 뉴호라이즌스 탐사선이 근접 촬영한 '아로코스(Arrokoth)'는 이러한 접촉쌍성체의 대표 사례로, 두 개의 구체가 맞닿은 눈사람 모양을 하고 있다. 기존 연구에 따르면 전체 미행성의 약 10~25%가 이 같은 구조를 지닐 가능성이 제기돼왔다. 그러나 그 형성 과정은 명확히 규명되지 않았다. 과거 모델들은 두 개의 완전한 구형 천체가 충돌해 결합하는 단순 병합 시나리오를 가정했지만, 이 경우 결과물 역시 다시 구형으로 수렴하는 한계가 있었다. 미국 미시간주립대 잭슨 반스 연구팀은 최근 발표한 연구에서 접근 방식을 달리했다. 연구진은 미행성을 하나의 단단한 구체가 아닌, 표면 위에 입자들이 얹혀 있는 '입자 구름'으로 모델링했다. 계산량은 크게 늘어났지만, 개별 입자의 운동과 상호작용을 추적함으로써 보다 현실적인 진화 과정을 재현했다. 시뮬레이션 결과, 회전하는 입자 구름이 항상 하나의 천체로 응집되는 것은 아니었다. 경우에 따라 두 개의 미행성으로 분리돼 서로를 공전하는 쌍성계를 형성했다. 이후 이 쌍성계는 상호 중력 작용에 의해 점차 안쪽으로 나선 운동을 하며 접근했고, 비교적 완만한 속도로 접촉해 결합했다. 이 과정에서 형성된 결과물은 구형뿐 아니라 납작하거나 시가형, 그리고 눈사람형 등 다양한 형태를 보였다. 연구진은 최종 형상을 좌우하는 핵심 요인으로 두 가지를 지목했다. 첫째는 천체들이 접근할 당시의 상대 속도, 둘째는 구성 입자들이 서로 맞물리는 결합 강도다. 충돌 속도가 낮고 입자 간 결속력이 강할수록 접촉쌍성체 형태가 유지될 가능성이 높았다. 이처럼 형성된 '우주 눈사람'은 장기간 안정적으로 존재할 수 있다. 카이퍼벨트는 밀도가 낮아 다른 천체와 충돌할 확률이 극히 낮기 때문이다. 반스는 "추가 충돌이 없다면 수백만 년에서 수십억 년까지도 구조가 유지될 수 있다"고 설명했다. 다만 이번 모형에서 접촉쌍성체가 차지한 비율은 전체의 약 4%로, 기존 관측 기반 추정치(10~25%)보다는 낮았다. 연구진은 시뮬레이션에 포함된 입자 수와 크기 범위의 한계가 영향을 미쳤을 가능성을 제기했다. 입자 수와 크기 스펙트럼을 확장할 경우 접촉쌍성체의 형성 빈도가 증가할 수 있다는 분석이다. 흥미로운 점은 회전하는 입자 구름이 두 개뿐 아니라 세 개 이상의 미행성으로 분화할 가능성도 시사했다는 점이다. 이는 카이퍼벨트에서 관측되는 일부 '삼중계' 천체의 기원을 설명하는 단서가 될 수 있다. 연구진은 현재 삼중계 형성 메커니즘과 관측 사례 간의 연관성을 추가로 분석하고 있다. 이번 연구는 국제 학술지 '월간 왕립천문학회지(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)'에 게재됐다. 태양계 외곽의 작은 얼음 천체들이 보여주는 단순한 외형은, 실은 초기 태양계의 역동적인 물리 과정을 반영한 결과일 수 있음을 시사한다. '우주 눈사람'은 태양계 형성사의 미세한 조건 차이가 수십억 년 뒤 어떤 형태로 남는지를 보여주는 상징적 사례로 평가된다.
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[우주의 속삭임(180)] 태양계 외곽 '우주 눈사람'의 비밀⋯미행성 충돌 속도가 형태 갈랐다
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