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- 명왕성(직경 2,370km)은 그의 위성 카론에 비해 크기가 불과 두 배
- 둘 사이의 우세 관계가 매우 약해 서로 공전하며 항상 같은 면을 향한다.
- 카론과 명왕성은 같은 나이일 것, 충돌로 인해 두 천체 모두가 오랫동안 가열될 가능성
- 명왕성-카론 쌍성의 기원은 아직 결정적으로 입증되지 않았다.

"키스"로 명왕성과 카론이 커플이 되었을까?
두 행성의 충돌은 예상보다 덜 파괴적이었을 수도 있다.

충돌 혹은 키스?
명왕성과 그 절반 크기의 달 카론(Charon)은 천문학자들이 현재 판단한 것처럼 치명적인 충돌이 아니라 훨씬 더 온화한 방식으로 충돌했을 수 있다. 모델에서는 두 개의 천체가 충돌하지만 대부분 그대로 유지되는 소위 "키스 앤 캡처" 시나리오가 그럴듯한 것으로 입증되었다. 이러한 시나리오는 명왕성과 그 가장 큰 달의 일부 지질학적 특징을 설명할 수도 있다. 

▲ 명왕성과 명왕성의 가장 큰 위성 카론(왼쪽 위)은 어떻게 결합되었나요? © NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

명왕성과 그의 가장 큰 달인 카론은 우리 태양계에서 매우 특이한 쌍 중 하나다. 직경이 2,370km에 달하는 이 왜행성은 동반 행성보다 크기가 두 배에 불과하다. 이 작은 크기 차이로 인해 카론은 달이 지구를 공전하는 것과 같은 방식으로 행성을 공전하지 않는다. 둘 사이의 우세 관계가 훨씬 약하기 때문에 카론과 명왕성은 서로 공전하며 항상 같은 면을 향하고 있다.

커플은 어떻게 모였을까

이 특이한 쌍은 어떻게 탄생하게 되었는가? 크기와 궤도의 특성에 있어서 작은 차이는 카론과 명왕성이 한때 지구와 달과 마찬가지로 종말론적 충돌에서 출현했음을 암시한다. 그러나 넓은 원형 궤도를 가진 카론 크기의 천체의 형성은 그러한 시나리오로 수학적 설명을 하기 어렵다.

따라서 명왕성과의 훨씬 덜 치명적인 만남에서 카론은 왜소 행성과 "약간"충돌한 후 중력에 의해 포획되었을 수 있다는 아이디어가 최근에 나타났다. 두 천체 모두 거의 그대로 남아 있었을 것이다. 그러나 이 시나리오가 실제로 얼마나 그럴듯한지는 오랫동안 불분명했다.

과거의 흔적을 찾아서

애리조나 대학교의 Adeene Denton이 이끄는 연구원들은 이제 명왕성과 카론이 실제로 "부드럽게" 충돌할 수 있었는지를 조사하기 위한 모델링 연구를 수행했다. 이를 위해 그들은 두 천체의 물질적 특성을 고려한 모델을 사용했다.

계산을 위해 Denton과 그녀의 팀은 초기에 원시 카론이 충돌 전체 질량의 약 3분의 1을 차지했으며 오늘날의 카론보다 두 배 이상 무겁다고 가정했다. 시뮬레이션에서 그들은 또한 카론과 명왕성이 포획 당시 이미 행성과 같은 천체로 완전히 분화되었으며 85%의 암석과 15%의 얼음으로 구성되어 있으며 암석 핵 위에 수빙 맨틀이 놓여 있다고 가정했다.

충돌 대신 키스에 대한 언급

결과:
명왕성과 카론이 오래전에 만났을 때 두 사람은 실제로 부드럽게 충돌하여 대부분 손상되지 않은 상태로 남아 있었을 수 있다. 천문학자들은 이러한 충돌 시나리오를 "키스 앤 캡처(kiss-and-capture)"라고 부른다. “두 몸체는 잠시 충돌한 후 더 깊게 결합되어 몇 시간 동안 함께 회전한다. 그런 다음 그들은 분리되어 안정적이고 외부로 확장되는 쌍을 형성한다”고 Denton과 그녀의 동료들은 설명했다.

“대상의 회전으로 인해 분리가 발생한다. 카론의 질량 중심은 '키스' 동안 명왕성의 동시 회전 반경 밖에 있다.” 팀은 계속해서 "조석력을 분산시켜 Charon에 토크를 전달하는 목표의 약간 더 빠른 회전보다 뒤쳐져 상대적으로 원형 궤도로 이동하게 한다"고 말했다.

전체적으로 연구원들은 테스트된 18건 중 13건에서 "키스 앤 캡처" 시나리오를 받았다. 탈출 속도는 시속 1~1.3km, 충돌 각도는 40~60도였다. 두 천체 사이의 만남이 어떻게 끝났는지는 주로 명왕성이 3시간 이내에 자체 축을 중심으로 한 번 회전할 수 있는지 아니면 더 천천히 회전하는지에 따라 달라졌다.

순간적인 키스?

만약 명왕성과 카론이 실제로 "키스" 후에 함께 했다면, 그것은 두 천체의 지질학적 발달에 다양한 영향을 미쳤을 것이다. 예를 들어 카론과 명왕성은 같은 나이일 것이다. Denton과 그녀의 팀이 설명하는 것처럼 "키스 앤 캡처" 충돌은 더 깊은 물질 층을 표면으로 다시 가져왔을 것이다. 이는 차례로 Charon의 광범위한 협곡 네트워크를 포함하여 오늘날 관찰되는 여러 지질학적 특징의 기초를 제공했을 것이다.

또한, 충돌로 인해 두 천체 모두가 오랫동안 가열될 가능성이 있었다. 명왕성과 카론의 얼음 맨틀은 이미 지질학적 과거에 있었던 것으로 추정되는 표면 바다가 생성되었을 정도로 녹았을 수 있다. 그리고 또 다른 것, 즉 나머지 4개의 명왕성 위성 Styx, Nix, Kerberos 및 Hydra가 "키스 앤 캡처" 시나리오 이론을 뒷받침한다. 연구원들이 보고한 바와 같이, 이는 충돌 중에 생성된 잔해로부터 형성되었을 수 있다.

그러나 명왕성-카론 쌍성의 기원은 아직 결정적으로 입증되지 않았으며, 이는 "키스 앤 캡처"와는 완전히 다른 시나리오가 한때 발생했을 수 있음을 의미한다.
(Nature Geoscience, 2025; doi: 10.1038/s41561-024-01612-0)
출처: Nature Geoscience

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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