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- 해왕성과 카이퍼 벨트 너머 우리 태양계는 광대한 얼음 덩어리 즉 오르트 구름에 둘러져
- 이 구역은 많은 장주기 혜성의 고향이자 우리 태양계 초기의 고대 유물로 여겨져
- 내부 오르트 구름은 둥근 원반이 아니라 두 개의 굽은 팔이 있는 작은 나선 은하와 비슷
- 내부 오르트 구름의 작은 입자는 약 10켈빈의 온도, 이 파장 범위에서 열 복사 방출

오르트 구름은 나선형인가?
컴퓨터 시뮬레이션으로 태양계 바깥쪽 가장자리에 특이한 구조 발견

둥글지 않고 나선형:
우리 태양계의 가장 바깥쪽 가장자리에 이전에 발견되지 않았던 거대한 나선형 구조가 있을 수 있다. 새로운 시뮬레이션에 따르면 그 크기는 1만5000AU(천문단위)의 S와 비슷하다. 따라서 오르트 구름의 안쪽 부분에는 행성 평면에 대해 약간 기울어진 두 개의 나선 팔이 있다. 이전에 생각했던 것과는 달리, 많은 혜성의 기원 지대는 둥근 원반이 아니라, 작은 나선 은하와 비슷합니다. 하지만 이런 구조는 어떻게 생겨났을까? 

▲ 오르트 구름은 구형 껍질처럼 우리 태양계를 둘러싸고 있다. 하지만 그 안쪽 영역은 둥근 원반으로 합쳐진다. 지금까지는 그렇게 생각했었다. 하지만 새로운 결과도 있었다. © Pablo Carlos Budassi/ CC-by-sa 4.0

해왕성과 카이퍼 벨트 너머 훨씬 멀리, 우리 태양계는 광대한 얼음 덩어리로 이루어진 구름, 즉 오르트 구름에 둘러싸여 있다. 아마도 그릇 모양일 것으로 추정되는 이 구역은 많은 장주기 혜성의 고향이자 우리 태양계 초기의 고대 유물로 여겨진다. 이 덩어리의 약 3분의 1은 어린 태양의 이웃 별에서 온 것일 수도 있다. 하지만 오르트 구름의 안쪽 가장자리조차도 1천 AU 이상 떨어져 있기 때문에 그 안의 천체를 직접 관찰할 수는 없다.

따라서 오르트 구름이 어떻게 형성되어 있는지, 그리고 얼마나 많은 천체를 포함하고 있는지는 거의 알려지지 않았다. 그러나 시뮬레이션과 혜성의 궤도에 따르면 이 얼음 덩어리 벨트는 주로 세 가지 요인에 의해 형성되었을 것으로 보인다. 태양계 외곽 행성의 중력적 영향, 다른 별의 근접 통과, 태양계가 은하수를 통과하면서 발생한 은하 조석력이다.

내부 오르트 구름의 모양은 어떤가요?

이제 새로운 시뮬레이션을 통해 오르트 구름 내부의 모양에 대한 놀라운 사실이 밝혀졌다. 이 거리는 지구와 태양 사이 거리의 약 1촌 배-1만 배에 이른다. 콜로라도에 있는 사우스웨스트 연구소의 데이비드 네스보르니와 그의 동료들은 "오르트 구름의 이 내부 영역은 종종 황도와 거의 같은 평면에 있는 비교적 평평한 원반으로 묘사된다"고 설명했다. 이 평평한 원반은 태양계 전체를 감싸고 있는 구형의 바깥쪽 오르트 구름 속으로 더욱 멀리 흘러들어간다. 이것이 이전에 생각했던 것이다.

하지만 네스보르니와 그의 팀이 이제 발견한 것처럼 이런 관점은 틀렸을 수도 있다. 그들은 시뮬레이션을 통해 지난 46억 년 동안 오르트 구름 내부가 어떻게 발달했을지 더 자세히 살펴보았다. 이를 위해 그들은 두 가지 서로 다른 모델에서 약 3만4000개의 가상 청크를 행성, 은하수, 지나가는 별의 중력적 영향에 노출시켰다.

둥근 디스크 대신 나선형 구조

놀라운 결과:
내부 오르트 구름은 둥근 원반이 아니라 두 개의 굽은 팔이 있는 작은 나선 은하와 비슷하다. 천문학자들은 이 S자 모양의 나선형 구조가 약 15,000 천문 단위(AU)에 걸쳐 확장되었다고 밝혔다. 하지만 지구에서, 즉 내부에서 볼 때 오르트 구름 내부의 구조는 보이지 않는다. 하지만 지상 망원경으로 관찰할 수 있다면 얼음 덩어리가 더 밀도가 높은 두 개의 구름을 관찰할 수 있을 것이라고 연구팀은 밝혔다.

네스보르니와 그의 팀은 "이 나선의 주축은 황도와 같은 평면에 있지만 나선 팔의 끝은 황도 너머로 뻗어 있다"고 보고했다. 이것은 일부 장주기 혜성의 궤도가 그 자체의 경사면에 위치하는 이유를 설명할 수 있을 것이다. 시뮬레이션에 따르면, 나선형 구조는 태양계가 형성된 후 불과 수억 년 후에 형성되었으며 오늘날까지 보존되어 왔다.

▲ 태양으로부터 오르트 구름까지의 대략적인 거리. (행성의 영역을 확대하여 표시했다.) © Andrew Z. Colvin/ CC-by-sa 3.0

행성에서 처음으로 추방돼

하지만 오르트 구름 내부는 왜 그렇게 변형되었을까? 네스보르니와 그의 팀이 설명했듯이, 우주로 최대 1.6광년 뻗어 있는 이 영역의 바깥쪽 부분과는 달리, 근처의 별의 통로와 그로 인해 발생하는 난류는 아무런 역할을 하지 않는 것으로 보인다. 그 대신, 외행성의 중력적 영향과 은하의 조석력이 합쳐져 이러한 나선형 구조를 형성했다.

나선 구조의 형성은 태양계 외곽에 있는 얼음이 풍부한 작은 천체들이 외곽 행성에 의해 궤도에서 벗어나면서 시작되었다. 그들은 태양으로부터 1,000~10,000 천문단위 떨어진 지역에 모였다. 연구팀은 "수치 시뮬레이션에 따르면 외행성의 이러한 분산은 아직 황도에 비해 강한 궤도 경사각을 생성하지 않는 것으로 나타났다"고 기록했다.

은하계의 힘에 의해 굴절됨

두 번째 단계는 다음과 같다. 태양계가 은하수 주 행성 평면에 대해 약 60도 기울어져 있기 때문에 은하의 중력 영향이 오르트 천체의 궤도에 측면으로 작용했다. 천문학자들은 "궤도의 이심률이 증가하고 궤도가 행성 난류에서 분리된다"고 보고했다. 그 결과, 천체들의 궤도가 점차 정렬되어 결국 은하수 평면에 거의 수직이 되었다.

궤도 전체에서 점차적으로 구조가 형성되었는데, 이 구조는 중앙 부분은 황도에 위치하지만 바깥쪽 부분은 휘어져 있고 행성 평면에 대해 약 30도 기울어져 있다. 즉, 나선 구조다. 네스보르니와 그의 동료들이 보고한 대로 이러한 나선은 거의 모든 실험에서 나타났음에도 불구하고 시뮬레이션에서만 나타났다. 직접적인 관찰 증거는 아직 보류 중이다. 

▲ 내부 오르트 구름의 나선형 모양. © Nesvorny et al./ arXiv:2502.11252

나선은 어떻게 발견할 수 있나?

하지만 오르트 구름의 나선형 구조를 어떻게 감지할 수 있을까? 천문학자들도 이에 대해 조사했다. 그러므로 광학 망원경으로 직접 관찰하는 것은 극히 어렵다. "오르트 나선은 주로 근일점 거리가 크고 평균 거리가 2천 천문 단위 이상인 천체로 구성되어 있다"고 그들은 설명했합니다. 이 영역에서 충분한 천체를 찾고 그 궤도를 결정하려면 차세대 망원경이 필요할 것이다.

보이지 않는 파장 범위에서는 가능성이 더 높다. 오르트 구름은 약한 열복사를 방출하는데, 이는 특히 300~400마이크로미터 사이의 파장에서 쉽게 감지할 수 있다. 네스보르니와 그의 팀은 "내부 오르트 구름의 작은 입자는 약 10켈빈의 온도를 가지고 있기 때문에 이 파장 범위에서 열 복사를 방출할 것이다"고 보고했다.

예를 들어, 플랑크 우주 망원경이 촬영한 이미지에서 이러한 복사선은 우주 배경 복사의 미묘한 왜곡 형태로 발견될 수 있다. "그러나 천문학자들은 오르트 구름 내부를 감지할 가능성은 매우 낮다고 말한다. 그러므로 그들은 다른 별에서 비슷한 나선 구조를 찾는 것이 더 유망하다고 생각한다.

(Astrophysical Journal, in Press; doi: 10.48550/arXiv.2502.11252)

출처: arXiv Preprint

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