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- 소행성은 주로 화성과 목성 사이의 소행성대에서 공전하는 얼음이 거의 없는 암석 덩어리
- 혜성은 태양계 외부에서 와서 더러운 눈덩이와 비슷
- 이 엄격한 설정에 맞지 않는 일부 천체 이미 발견돼
- 류구는 약 5만 1,000년에 걸친 변형, 혜성에서 소행성 벨트로 이동

소행성 류구(Ryugu)가 한때 혜성이었을까?
혜성의 기원은 각 덩어리의 몇 가지 특징을 설명할 수 있다.

Rocky nerd:
500미터의 큰 소행성 Ryugu(류구)가 항상 소행성이었던 것은 아니다. 놀랍도록 각진 덩어리는 과거에 혜성이었을 수 있으며, 천문학자들은 이 혜성이 얼음을 잃었다고 보고했다. 이것은 Ryugu가 느슨하게 연결된 덩어리로만 구성돼 있고 빠르게 회전하며 유기물 비율이 비정상적으로 높은 이유를 설명할 수 있다. 

▲ 각지고 느슨하게 형성된 소행성 류구(Ryugu)에는 몇 가지 특별한 기능이 있다. © JAXA/ University of Tokyo and collaborators

오랫동안 구분이 명확해 보였다. 소행성은 주로 화성과 목성 사이의 소행성대에서 공전하는 얼음이 거의 없는 암석 덩어리다. 반면에 혜성은 태양계 외부에서 와서 더러운 눈덩이와 비슷하다. 그동안 천문학자들은 이 엄격한 설정에 맞지 않는 일부 천체를 이미 발견했다. 여기에는 소행성대에 있는 활성 혜성뿐만 아니라 얼음 함량과 행동이 혜성의 기원을 암시하는 추정되는 소행성도 포함된다.

류구는 그림에 어울리지 않는다.

나고야 대학의 Hitoshi Miura가 이끄는 팀은 이제 소행성과 혜성의 또 다른 "하이브리드"를 식별할 수 있었다. 그러나 이것은 새로 발견된 천체가 아니라 하야부사-2 임무의 목표물인 소행성 류구이다. 약 1km에 달하는 이 큰 덩어리는 2018년 우주 탐사선이 방문해, 그 후 표면에서 암석 샘플을 수집하여 지구로 가져왔다.

임무의 데이터와 샘플은 Ryugu 소행성의 세 가지 특이한 특징을 보여주었다.
첫째, 그것은 거대하지 않지만 오히려 중력에 의해 뭉쳐진 잔해 더미.
둘째, 적도에서 부풀어 오른 각진 모양은 과거에 매우 빠르게 회전했음을 시사한다.
셋째, 샘플 분석은 소행성에서 비정상적으로 높은 비율의 유기물을 보여주었다.

유기적 콘텐츠가 공통 할당과 모순됨

기존의 통념에 따르면 Ryugu는 소행성 충돌의 잔해로 형성되었을 수 있다.

이는 암석 구조와 한때 빠른 회전을 설명할 수 있었다. 문제는 "이 재 축적 시나리오는 첫 번째와 두 번째 특성을 설명하지만 세 번째 특성은 설명하지 못한다"고 Miura와 그의 동료들은 설명했다. 덩어리의 유기물 함량이 탄소질 콘드라이트의 경우에도 평소보다 훨씬 높기 때문이다.

그래서 더 나은 설명을 찾기 위해 천문학자들은 또 다른 시나리오, 즉 신비한 덩어리의 혜성 기원을 자세히 살펴보았다. Churyumov-Gerasimenko와 같은 혜성에 대한 분석은 그들의 얼음이 많은 유기 화합물을 포함할 수 있음을 보여주기 때문이다. 이 덩어리가 태양계 내부로 들어갈 때 태양열로 인해 얼음의 일부를 잃는다. 예를 들어, 그러한 혜성이 소행성 벨트에 갇혀 있으면 극단적인 경우 완전히 "제빙"할 수 있다.

▲ 이것이 Ryugu가 혜성에서 소행성으로 진화한 방법이다. © Hitoshi Miura/ Nagoya City University

캡처 및 축소

이것은 Miura와 그의 팀이 수치 시뮬레이션을 사용해 재구성한 Ryugu에게 일어난 일이다.
"얼음 승화로 인해 혜성의 핵이 질량을 잃고 축소됐다"며 "결과적으로 회전 속도가 빨라지고 혜성의 핵이 자이로스코프 모양을 띠게 되었다"고 미우라는 설명했다. 승화 과정에서 먼지와 유기 성분이 남아 있었기 때문에 이러한 성분은 혜성의 나머지 핵에 축적되었다.

천문학자들은 "궁극적으로 혜성의 핵이 너무 줄어들어서 이전 혜성의 암석 부분만 포함하는 작고 잔해 같은 소행성이 된다"고 보고했다. 따라서 Ryugu는 혜성-소행성 전이 물체(CAT) 그룹에 속할 수 있다. 이 물체는 한때 활동적인 혜성이었지만 지금은 멸종돼 소행성과 유사한 물체다.

▲ 그림 1. 다공성 혜성 핵에서 물 얼음 승화 모델. (a) 혜성 핵은 처음에 그 안에 균일하게 포함된 소량의 암석 파편이 있는 주로 물 얼음 입자로 구성돼 있다고 가정한다. (b) 물 얼음은 외부 층에서 승화되고 원시 영역은 축소된다. (c) 나머지 암석 파편이 표면에 축적되어 먼지 맨틀을 형성한다. 먼지 맨틀은 다공성이 높아 투과성이 높기 때문에 내부에서 발생하는 수증기가 먼지 맨틀을 통해 새어 나온다. (d) 마지막으로, 혜성 핵은 얼음이 거의 완전히 승화된 후 암석 소행성으로 변한다. (출처: 관련논문 Fig 1 The Asteroid 162173 Ryugu: a Cometary Origin / Astrophysical Journal Letters)

약 5만 1,000년에 걸친 변형

미우라(Miura)와 그의 팀은 또한 Ryugu의 변형이 발생한 시기와 장소를 모델로 재구성했다. 이에 따르면, Ryugu는 원래 크기가 2km에 불과한 단주기 혜성에서 수만 년 동안 태양계를 돌고 있었다. 그러나 행성의 간섭으로 인해 궤도에서 벗어나 내부 소행성 벨트로 이동했다.

그곳의 온도는 영하 70도 정도로 천문학자들이 설명하듯이 얼음이 승화될 만큼 충분히 높다. 그들의 계산에 따르면, 원래 혜성의 핵이 10미터 두께의 먼지와 암석 맨틀을 형성할 정도로 많은 얼음을 잃는 데 500년이 걸렸을 것이다. 이것이 승화 속도를 늦추기 때문에 이전 혜성의 핵에 있는 모든 얼음이 승화되는 데 5만 1,000년이 더 걸렸다.

고립된 사례가 아님

다른 천체들도 같은 방식으로 혜성에서 돌 무더기 소행성이 되었을 것이라고 천문학자들은 믿고 있다. 이러한 과도기 물체에는 폭이 약 500미터인 소행성 베누가 포함될 수 있으며, 이 소행성 역시 각이 변형되고 느슨하게 연결된 덩어리로 구성되어 있다. 연구진은 "베누가 혜성에서 소행성으로 가는 길에 있다는 증거가 있다"고 말했다.
2020년 가을 NASA의 OSIRIS-Rex 우주선이 소행성 베누에서 채취한 샘플은 이것이 실제로 사실인지 여부를 보여줄 수 있다. 우주 탐사선은 이미 지구로 귀환 중이다.
(The Astrophysical Journal Letters, 2022; doi: 10.3847/2041-8213/ac4bd5)
출처: Nagoya City University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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