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태양계 이야기 529 - 혜성은 어떻게 생겨났는가?



(Evidence that Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko is composed of ancient material preserved from the formation of the early Solar System and that came together under low speed. The evidence collected by Rosetta lies in the comet's structural properties, the gases detected leaving the nucleus, and observations of surface features. Credit: Centre: ESA/Rosetta/NavCam – CC BY-SA IGO 3.0; Insets: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA; Fornasier et al. (2015); ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team MPS/CSNSM/UNIBW/TUORLA/IWF/IAS/ESA/BUW/MPE/LPC2E/LCM/FMI/UTU/LISA/UOFC/vH&S; Langevin et al. (2016))


 나사의 연구팀이 유럽 우주국의 로제타 탐사선 데이터를 이용해서 태양계 혜성 생성의 비밀을 밝혀냈습니다. 혜성은 단순히 아름다운 꼬리를 만들어 밤하늘의 볼거리를 제공하는 것 뿐만이 아니라 태양계 진화에서 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 현재도 결론이 나지 않은 문제지만, 일부 과학자들은 혜성이 지구의 바다 생성 및 유기물 전달에 중요한 역할을 담당했다고 믿고 있습니다. 


 혜성이 어떻게 해서 생성되었는지 역시 논쟁이 있는 분야 가운데 하나인데, 지금까지 크게 두 가지 이론이 대립하고 있었습니다. 

 첫 번째는 태양계 외곽에서 얼음과 일산화탄소, 먼지 등을 포함한 작은 천체들이 합체를 반복해서 점차 커져 지금의 해왕성 궤도 밖에 있는 TNOs(trans-Neptunian objects)가 된다는 것입니다. 지름이 400km가 넘으면 이 얼음 천체는 내부의 방사성 동위원소의 열과 압력으로 인해 내부가 녹게 되어 왜행성급 천체로 발전하게 됩니다. 그리고 이들이 충돌하면서 그 파편들이 혜성이 되었다는 것입니다. 


 두 번째는 작은 얼음 천체가 서서히 합체를 해서 지금과 같은 혜성이 되었다는 이론입니다. 물론 더 크게 합체하면 TNOs가 되는 것이죠. 첫 번째 이론은 아래 그림에서 왼쪽이고 두 번째 이론은 오른쪽에 설명되어 있습니다. 



(Two main theories exist for how comets are born. In both cases, 'pebbles' start assembling from debris in the solar nebula, reaching sizes of about 1 cm. Then, according to the collisional rubble pile theory (left column), large objects such as the trans-Neptunian objects (TNOs) formed rapidly, within the first one million year of the solar nebula, aided by turbulent gas streams and gravity that rapidly accelerated their growth to sizes of up to 400 km. These objects also underwent internal heating caused by the decay of radioactive substances, which resulted in their dense, low-porosity structure, and kept growing over the following 400 million years, some of them even reaching sizes of Pluto or Triton-sized objects. In this scenario, comets form from fragments created in collisions between TNOs in the outer Solar System, and therefore are relatively young. According to the primordial rubble pile theory (right), instead, comets took a different path. After the rapid initial growth phase of the TNOs, leftover grains and 'pebbles' of icy material in the cold, outer parts of the solar nebula started to come together at low speed, undergoing a gradual growth with no thermal processing to their interior and yielding comets roughly 5 km in size by the time gas has disappeared from the solar nebula. The larger TNOs played a further role in the evolution of comets: by 'stirring' the cometary orbits, additional material was accreted at somewhat higher speed over the next 25 million years, forming the outer layers of the comets. The stirring also made it possible for the few kilometre-sized objects in size to bump gently into each other, leading to the bi-lobed nature of some observed comets. In the second hypothesis, comets are ancient objects made out of debris left over from the main planet-building phase and which contain preserved remnants of the early solar nebula materials. Evidence collected by Rosetta strongly favours the primordial rubble pile hypothesis, namely that comets were built up slowly through low-speed accumulation of material into the shapes observed today. Credit: European Space Agency)


 로제타의 관측 데이터는 두 번째 가설을 강력하게 지지하고 있습니다. 이 이론에 따르면 혜성 내부는 거대한 잡석더미처럼 빈공간이 많을 텐데 실제로 그런 것 같은 모양을 하고 있기 때문입니다. 초기 태양계 외곽에서 빠른 속도로 성장한 얼음 천체는 우리가 현재 보는 TNOs들이 되면서 이 궤도에 있는 물질들을 대부분 흡수한 것으로 보입니다. 


 혜성은 그 이후 천천히 남은 물질들이 합체하면서 자라난 것으로 생각됩니다. 실제로 67P 혜성 역시 두 개의 큰 덩어리가 아주 느린 속도로 합체되면서 현재의 아령같은 모양을 지니게 된 것으로 보입니다. 


 물론 이것만으로 모든 미스터리가 풀리지는 않겠지만, 이 이론이 맞다면 혜성은 태양계 초기 해왕성보다 먼 궤도에 있었던 작은 천체들의 집합이므로 여기에 태양계 생성의 중요한 비밀이 담겨있을 것입니다. 이 비밀을 밝혀내기 위해 혜성을 향한 인류의 탐사는 앞으로도 계속 진행될 것입니다.  


 참고 


B. J. R. Davidsson et al. The primordial nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, Astronomy & Astrophysics (2016). DOI: 10.1051/0004-6361/201526968 


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