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우주 눈사람의 미스터리 풀다: 과학자들이 아로코스의 독특한 형성 원인 밝혀내
2019년 1월 1일, NASA의 뉴 호라이즌스 임무는 명왕성 궤도 너머에 위치한 카이퍼 벨트 천체(KBO)인 아로코스(Arrokoth)에 근접 비행을 성공시킨 최초의 우주선으로서 역사를 만들었습니다. 그러나 더 큰 성과는 단순한 비행이 아니라, 포착된 이미지들이었습니다. 이 이미지들은 독특한 눈사람 모양의 윤곽을 가진 천체를 드러냈고, 전 세계 천문학자들을 놀라게 하고 당혹스럽게 만들었습니다. 그 이후로 과학자들은 우리 태양계의 차갑고 먼 외곽에서 이러한 특이한 천체들이 어떻게 형성될 수 있었는지에 대해 열띤 논쟁을 벌여왔습니다. 이제 미시간 주립대학교(MSU)의 연구원들은 그 답을 찾았다고 믿고 있으며, 그 답은 놀랍도록 간단합니다: 바로 중력 붕괴입니다.
아로코스는 해왕성 궤도 너머에 있는 광대하고 얼음으로 뒤덮인 카이퍼 벨트에 존재하며, 종종 '얼음 소행성'이라고 불리는 수백만 개의 얼음 천체로 가득합니다. 이 천체들은 태양계 초기 시절의 깨끗한 잔해이며, 약 45억 년 전의 조건과 구성을 보존하고 있습니다. 행성의 구성 요소인 미행성체(planetesimals) 또한 젊은 태양이 자체 중력 붕괴 후 둘러싸고 있던 회전하는 가스와 먼지 원반에서 유사하게 형성되었습니다. 아로코스를 그토록 당혹스럽게 만든 것은 이러한 KBO 중 약 10개 중 1개가 실제로 '접촉 쌍성'이라는 사실이었습니다. 즉, 두 개의 별개의 천체가 놀랍도록 부드러운 방식으로 합쳐져 눈사람과 같은 독특한 형태를 만들어냈다는 것입니다.
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이전의 계산 모델들은 이러한 형성을 설명하는 데 오랫동안 어려움을 겪었습니다. 종종 유체 역학에 기반을 둔 이 모델들은 천체가 그러한 독특하고 안정적인 형태를 형성할 가능성을 효과적으로 배제했습니다. 더욱이, 독특한 사건이나 희귀한 현상을 가정하는 다른 이론들은 이러한 접촉 쌍성의 관찰된 일반성을 설명할 수 없었습니다. 문제는 아로코스의 특정 형태뿐만 아니라, 그것이 더 광범위한 우주 천체 종류의 일부라는 사실을 설명할 수 있는 메커니즘을 찾는 것이었습니다.
여기서 미시간 주립대학교 팀이 등장합니다. 대학원생 잭슨 반스(Jackson Barnes)가 이끌고, 논문의 선임 저자인 세스 제이콥슨(Seth Jacobson) 교수의 지도를 받았습니다. 이 팀은 ICER(Institute for Cyber-Enabled Research)에 있는 MSU의 고성능 컴퓨팅 클러스터를 사용하여 획기적인 시뮬레이션을 개발했습니다. 이전 모델들과 달리, 이 시뮬레이션은 중력 붕괴의 원리에 기반을 둔 최초의 시뮬레이션이었습니다. 결과는 놀라웠습니다. 시뮬레이션은 아로코스의 독특한 눈사람 형태를 성공적으로 재현했을 뿐만 아니라, 이러한 천체들이 규칙적으로 형성되는 더욱 현실적인 시나리오를 만들어냈습니다. 제이콥슨 교수는 MSU 보도 자료에서 다음과 같이 설명했습니다. "만약 미행성체 천체의 10%가 접촉 쌍성이라고 생각한다면, 그것들을 형성하는 과정은 드물 수 없습니다. 중력 붕괴는 우리가 관찰한 것과 잘 들어맞습니다."
시뮬레이션은 매혹적인 과정을 보여줍니다. 초기 태양계에서 미행성체들이 회전하는 물질 원반에서 형성될 때, 이 천체들은 때때로 원반의 회전력에 의해 찢어져 두 개의 별개의 천체를 형성하고, 이들은 서로의 주위를 공전하게 됩니다. 시간이 지남에 따라 이 천체들의 궤도는 점진적으로 안쪽으로 나선형을 그리며, 결국 접촉하여 합쳐지게 됩니다. 이때 중요한 것은 원래의 둥근 모양을 유지한다는 것입니다. 이러한 부드러운 병합 과정은 구조를 변형시킬 수 있는 격렬한 충돌을 포함하지 않기 때문에 독특한 눈사람 모양을 보존하는 데 핵심적입니다.
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또한, 그들의 결과는 이러한 접촉 쌍성들이 다른 천체들과의 충돌을 효과적으로 피함으로써 온전하게 유지된다는 것을 보여주었습니다. 이는 실제 데이터와 완벽하게 일치하는 관찰입니다. 대부분의 쌍성에서는 분화구의 흔적이 보이지 않습니다. 이 발견은 과학자들이 오랫동안 의심했지만 경험적으로 테스트할 수 없었던 것을 확인시켜 줍니다. 반스와 동료들이 만든 모델은 필요한 물리학을 정확하게 설명함으로써 접촉 쌍성을 성공적으로 재현한 최초의 모델입니다. 이 팀은 여기서 멈추지 않습니다. 그들은 현재 중력 붕괴 과정을 더 잘 모델링하기 위한 새로운 시뮬레이션을 개발 중이며, 이를 통해 외태양계에서 발견되는 다른 이국적인 천체들을 예측할 수 있기를 희망하고 있습니다. 이 선구적인 연구, "중력 붕괴에 의한 직접 접촉 쌍성 미행성체 형성"은 *왕립천문학회 월간 보고* (MNRAS)에 발표되었으며, 우리 태양계 기원에 대한 이해에 새로운 장을 열고 있습니다.
