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태양계 이야기 1009 - 고리를 지닌 왜행성 콰오아



 (Artist impression of Quaoar's rings. Credit: Paris Observatory)

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태양계의 큰 가스 행성들은 고리를 지니고 있습니다. 특히 토성의 경우 작은 망원경으로도 쉽게 관측할 수 있는 큰 고리를 지니고 있어 이전부터 토성을 상징하는 이미지로 생각되고 있습니다. 하지만 최근 과학자들은 생각보다 작은 천체도 고리를 지닐 수 있다는 사실을 확인했습니다. 앞서 소개한 소행성 커리클로나 왜행성 하우메아가 대표적입니다.

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하우메아 : https://blog.naver.com/jjy0501/221116022111

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커리클로: https://blog.naver.com/jjy0501/222995821784

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영국 셰필드 대학의 과학자들은 10.4m 구경의 대형 광학 망원경인 GTC (Gran Telescopio Canarias)에 설치된 특수 고속 카메라인 하이퍼캠 (HiPERCAM)을 이용해 해왕성 주변 궤도를 공전하는 왜행성인 콰오와 (Quaoar) 주변에 고리가 있다는 사실을 발견했습니다. 태양에서 평균 43.6AU 궤도에 있는 콰오아는 지름 1,110km 정도의 천체로 세레스나 명왕성의 위성 카론과 비슷한 크기입니다.

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이렇게 먼 거리에 있는 희미한 고리는 사실 10.4m 구경 망원경으로도 직접 관측이 어려울 정도로 희미합니다. 따라서 연구팀은 고리가 별 앞을 지날 때 가려지는 현상을 이용해 고리를 관측했습니다. 이는 다른 작은 천체의 고리 관측에서 사용된 것과 같은 방법입니다.

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이번에 발견된 고리에서 놀라운 점은 모천체의 반지름의 7배에 달하는 거리에 위치했다는 것입니다. 대략 표면에서 4000km 정도 거리인데, 이는 로슈 한계 (Roche limit)보다 먼 거리입니다. 로슈 한계는 1850년 프랑스의 천문학자 로슈가 계산한 것으로 이 한계 밖에서는 위성의 중력이 행성의 기조력보다 커서 위성이 형태를 유지할 수 있습니다. 반대로 말하면 위성이 로슈 한계보다 가까이 있으면 형태를 유지하지 못하고 잘게 부서집니다. 토성의 고리가 그 대표적 사례입니다.

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로슈 한계 : https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1088366&cid=40942&categoryId=32286

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하지만 이번에 발견된 고리는 로슈 한계 밖에 존재합니다. 위성으로 합쳐지지 못하고 고리가 된 이유는 아직 알 수 없지만, 최근 위성이나 소행성 충돌로 만들어진 파편이 아직 고리로 존재하거나 혹은 고리가 뭉치지 못하게 방해하는 어떤 다른 힘이 존재할 수도 있습니다. 앞으로 그 이유를 알아내는 것이 매우 흥미로운 연구 과제가 될 것입니다. 다만 매우 먼 거리와 어두운 고리의 밝기를 생각하면 직접 탐사선을 보내지 않는 이상 이 고리의 존재 이유는 한동안 미스터리로 남게 될 가능성도 있습니다.

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참고

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https://phys.org/news/2023-02-solar.html

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https://en.wikipedia.org/wiki/50000_Quaoar

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Bruno Morgado, A dense ring of the trans-Neptunian object Quaoar outside its Roche limit, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05629-6. www.nature.com/articles/s41586-022-05629-6

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