솔직히 처음엔 카이퍼 벨트가 그냥 명왕성 옆에 있는 뭔가 정도로만 알고 있었습니다. 그런데 관련 내용을 파고들수록 이게 단순한 배경이 아니라, 태양계가 처음 만들어질 당시의 흔적이 고스란히 남아 있는 공간이라는 걸 알게 됐습니다. 태양빛도 거의 닿지 않고, 빛의 속도로 4시간 넘게 달려야 겨우 닿을 수 있는 그곳이 오히려 우주에서 가장 오래된 이야기를 품고 있었습니다.
아무도 찾지 않았던 곳을 찾게 된 이유
제가 처음 이 이야기를 접했을 때 가장 흥미로웠던 건, 카이퍼 벨트의 발견이 사실 완전히 다른 목적에서 시작됐다는 점이었습니다. 20세기 초 천문학자 퍼시벌 로웰은 해왕성의 공전 궤도를 분석하다가 뭔가 이상하다는 걸 직감했습니다. 계산대로라면 설명이 안 되는 궤도 편차가 있었고, 그는 이걸 해왕성 너머 어딘가에 숨어 있는 거대한 천체 때문이라고 결론 내렸습니다. 그렇게 붙여진 이름이 바로 '플래닛 X'였습니다.
로웰은 자비로 설립한 로웰 천문대에서 직접 탐색에 나섰지만 끝내 아무것도 발견하지 못한 채 세상을 떠났습니다. 그로부터 14년 뒤인 1930년, 같은 천문대에서 일하던 젊은 천문학자 클라이드 톰보가 해왕성 너머에서 작은 천체 하나를 발견했습니다. 그게 바로 명왕성이었습니다. 문제는 명왕성이 로웰이 예측한 플래닛 X와는 전혀 달랐다는 점입니다. 크기도 훨씬 작고, 예상 위치도 달랐고, 나중에 밝혀진 것처럼 해왕성의 궤도 이상 자체가 관측 오류에서 비롯된 것이었습니다. 플래닛 X는 처음부터 존재하지 않았던 셈이었습니다.
제 경험상 이런 이야기가 과학에서 제일 재밌습니다. 틀린 전제에서 출발했는데 오히려 더 중요한 걸 발견하는 아이러니 말입니다. 그리고 바로 이 시점에서 천문학자들은 다시 생각하기 시작했습니다. "명왕성 하나만 있는 게 아닐 수도 있다." 이 의문이 결국 카이퍼 벨트 탐구의 출발점이 됩니다.
1980년 훌리오 페르난데스는 단주기 혜성의 궤도를 분석하면서 결정적인 단서를 제시했습니다. 단주기 혜성이란 수십 년 안에 태양을 한 바퀴 돌고 돌아오는 혜성을 말하는데, 이들의 궤도가 태양계 다른 행성들과 거의 같은 평면 위에 있다는 점이 특이했습니다. 무작위로 날아드는 오르트 구름 혜성들과는 달랐습니다. 여기서 오르트 구름이란 태양계를 구형으로 감싸고 있는 거대한 혜성 저장소를 의미합니다. 페르난데스는 이 차이에서 해왕성 바깥 어딘가에 평평한 원반 형태의 천체 띠가 있을 것이라고 제안했고, 1988년 마틴 던컨, 토마스 퀸, 스코트 트레메인이 컴퓨터 시뮬레이션으로 이 가설을 강화했습니다.
그리고 1992년, 천문학자 데이비드 주잇과 제인 루가 하와이 마우나케아 천문대에서 명왕성 외의 첫 번째 카이퍼 벨트 천체인 '1992 QB1'을 발견하면서 이론은 현실이 됐습니다. 이론으로만 존재하던 카이퍼 벨트가 실제 관측으로 확인된 역사적인 순간이었습니다(출처: NASA 태양계 탐사).
명왕성이 행성에서 내려온 날
제가 이 부분을 다시 읽으면서 솔직히 좀 황당하기도 했습니다. 명왕성이 왜행성으로 강등됐다는 건 많이 들었는데, 그 계기가 명왕성 자체가 아니라 에리스라는 다른 천체 때문이었다는 건 처음 제대로 알게 된 사실이었습니다.
2005년 발견된 에리스(Eris)는 명왕성보다 질량이 약 25% 더 무겁고, 크기는 명왕성과 거의 비슷한 천체였습니다. 에리스의 발견은 즉각적으로 혼란을 일으켰습니다. 이걸 행성으로 인정하면, 그 이후로 비슷한 천체가 발견될 때마다 행성 목록이 무한정 늘어날 수 있었습니다. 당시 마케마케, 하우메아 등 유사한 천체들도 속속 발견되고 있던 상황이어서 문제는 더 심각했습니다.
결국 2006년 국제천문연맹(IAU)은 최초로 행성의 정의를 공식화했습니다. 행성이 되려면 세 가지 조건을 모두 충족해야 했습니다.
- 태양을 중심으로 공전할 것
- 자체 중력에 의해 구형 형태를 유지할 것
- 자신의 공전 궤도 주변에서 다른 천체들을 지배하는 위치에 있을 것
명왕성은 첫 두 가지는 만족했지만 세 번째 조건, 즉 궤도 청소 능력을 갖추지 못했습니다. 여기서 '궤도 청소 능력'이란 행성이 자신의 공전 궤도 주변 영역에서 다른 소천체들을 중력으로 끌어들이거나 밀어내며 궤도를 독점하는 능력을 의미합니다. 명왕성은 해왕성과 3대 2의 궤도 공명 관계를 맺고 있었고, 궤도가 겹치는 구간도 존재했습니다. 이 사실은 명왕성이 자기 궤도를 독립적으로 지배하지 못한다는 걸 의미했습니다.
그렇게 명왕성은 왜행성(Dwarf Planet)으로 재분류됐고, 에리스는 처음부터 행성이 되지 못한 채 왜행성으로 분류됐습니다. 흥미로운 건 에리스의 이름인데, 고대 그리스 신화에서 불화와 혼란의 여신입니다. 이 천체 하나가 태양계 구조를 뒤흔들었으니 이름값을 제대로 한 셈입니다. 국제천문연맹의 행성 정의 개정 경위는 IAU 공식 발표에서 확인할 수 있습니다(출처: 국제천문연맹 IAU).
뉴 호라이즌스가 보내온 것들
이 부분이 개인적으로 이번 주제에서 가장 인상 깊었습니다. 아무리 이론이 정교해도, 실제로 탐사선이 가서 찍어온 사진 한 장이 주는 충격은 차원이 다릅니다.
2006년 발사된 NASA의 탐사선 뉴 호라이즌스(New Horizons)는 당시 지구를 탈출한 탐사선 중 가장 빠른 속도를 기록했습니다. 초속 16.26km, 시속으로 환산하면 약 58,500km였습니다. 이후 목성을 스윙바이(Swingby) 방식으로 통과하면서 추가 가속을 얻었습니다. 여기서 스윙바이란 탐사선이 행성의 중력을 이용해 연료 소모 없이 속도를 높이는 항법 기술을 말합니다. 덕분에 뉴 호라이즌스는 명왕성까지 가는 시간을 약 3년이나 단축할 수 있었습니다.
2015년 7월 14일, 뉴 호라이즌스는 명왕성 표면에서 약 12,000km 거리까지 근접 비행했습니다. 그리고 인류 역사상 처음으로 명왕성의 고해상도 사진이 전송됐습니다. 제가 직접 그 사진을 보면서 느낀 건 뭔가 허탈함 같은 것이었습니다. "어, 이게 죽어 있는 얼음 덩어리라고?" 싶을 정도로 명왕성은 생각보다 훨씬 복잡하고 역동적인 천체였습니다.
명왕성의 표면에는 스푸트니크 평원(Sputnik Planitia)이라는 거대한 질소 얼음 지형이 있었고, 지질학적으로 젊은 표면과 푸른 대기층까지 갖추고 있었습니다. 위성도 카론, 닉스, 히드라, 케르베로스, 스틱스까지 다섯 개나 됐습니다. 어둡고 차가운 태양계 외곽에 이런 세계가 있다는 사실이 솔직히 예상 밖이었습니다.
뉴 호라이즌스는 거기서 멈추지 않았습니다. 2019년 1월 1일, 지구에서 약 65억 km 떨어진 거리에서 카이퍼 벨트 천체 아로코스(Arrokoth)를 근접 통과했습니다. 아로코스는 두 개의 천체가 충돌 없이 천천히 달라붙어 만들어진 이중체로, 땅콩 모양을 하고 있습니다. 이 천체는 태양계 형성 초기의 상태를 그대로 간직한 원시 천체(Primordial Object)입니다. 여기서 원시 천체란 태양계가 형성되던 46억 년 전 상태에서 거의 변형되지 않고 보존된 천체를 의미합니다. 아로코스 탐사 결과는 태양계 형성 이론에 중요한 단서를 제공하고 있으며, 관련 연구 결과는 현재도 분석이 진행 중입니다.
카이퍼 벨트에 대해 읽으면서 가장 강하게 남은 감각은 "우리가 알고 있는 게 생각보다 훨씬 적다"는 느낌이었습니다. 이론으로만 존재하던 공간이 실제 관측으로 확인되고, 죽어 있을 줄 알았던 천체에서 역동적인 지형이 발견되고, 이름 없는 천체가 수십만 개씩 흩어져 있다는 것. 카이퍼 벨트는 태양계의 끝이 아니라 아직 제대로 열리지 않은 서랍 같은 공간이라는 인상을 받았습니다. 다음에 뉴 호라이즌스 탐사선의 이야기를 더 깊이 파보고 싶다면, NASA의 공식 미션 페이지를 직접 찾아보시길 권합니다. 생각보다 훨씬 더 많은 이야기가 남아 있습니다.