우주에도 고속도로 존재…행성 중력 영향으로 천체 더 빨리 이동

지구를 포함한 태양계 행성은 중심 항성인 태양의 중력에 영향을 크게 받지만, 이들 행성 역시 중력을 지녀 그 주위를 공전하는 위성과 같은 천체에 영향을 준다. 그런데 이런 중력의 상호작용에 의해 생성된 보이지 않는 구조가 태양계 안을 빠르게 이동할 수 있는 일종의 ‘우주 고속도로’를 만들어내는 것으로 밝혀졌다.

세르비아와 미국 공동 연구진은 관측 및 시뮬레이션 자료를 분석해 우주 고속도로의 형성 과정을 발견했다는 연구 논문을 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 최신호(11월 25일자)에 발표했다.

태양계에는 행성과 위성뿐만 아니라 수많은 소행성과 혜성이 있다. 이중 소행성 집단 중 하나인 켄타우루스 소행성군(이하 켄타우루스군)은 목성과 해왕성 사이를 불안정한 궤도로 공전하고 있어 언젠가 궤도에서 벗어날 것으로 여겨진다. 그런데 지난 몇십 년간의 시뮬레이션에서 켄타우루스군은 해왕성보다도 먼 거리를 공전하는 해왕성 바깥천체(TNO)에서 목성의 중력 영향을 받는 목성족 혜성(JFC)으로 궤도가 변하는 과정에 있는 천체일 가능성이 제기됐었다. 해왕성 바깥천체가 목성족 혜성으로 변하는 데는 1만 년에서 10억 년이 걸릴 것으로 추정된다.

이처럼 태양계 행성은 소행성이나 혜성 등 천체의 움직임에 크게 관여하고 있지만, 이와 관련한 중력의 상호작용은 매우 복잡해서 지금까지 수수께끼로 여겨졌다.

이에 따라 세르비아 베오그라드천문대의 나타샤 토도로비치 박사와 미국 캘리포니아대 샌디에이고캠퍼스의 에런 로즌그렌 교수 등이 이끄는 국제연구진은 태양계 천체의 궤도 몇백만 개에 관한 수치 데이터를 수집해 금성부터 해왕성까지 7개 행성의 중력에 의해 생성되는 섭동을 모형화했다. 여기서 섭동은 행성의 궤도가 다른 천체의 힘에 의해 정상적인 타원을 벗어나는 현상을 말한다.

분석 결과, 태양이나 행성의 중력에 의해 아치형 구조가 형성되는 것으로 나타났으며, 이중 가장 크게 눈에 띄는 구조는 목성과 관련한 것으로 확인됐다. 이 아치 구조가 천체의 이동에 미치는 영향을 알아내기 위해 연구진은 몇천 개의 가상 천체를 가상의 목성 근처에 던지는 시뮬레이션을 진행했다.

그러자 몇십 개의 천체가 목성에 충돌했지만 대다수 천체는 태양계를 탈출하는 아치형 궤도에 진입했다. 천체들은 평균적으로 38년 뒤 천왕성으로, 48년 뒤에는 해왕성에 도달하며 가장 빠른 천체는 목성 근처에 던저지고 나서 10년 안에 해왕성까지 도달했다. 또 천체의 70%는 100년 안에 100AU(천문단위·1AU=지구와 태양의 평균거리)에 해당하는 위치까지 도달했다.

이에 대해 연구진은 이처럼 놀라운 속도로 태양계 안을 이동할 수 있는 이 경로를 ‘진정한 천체 고속도로’(true celestial autobahn)라고 명명하고, 이런 역학적 아치 구조는 목성 이외의 행성에서도 그 궤도 주기에 맞는 규모로 생성될 것이라고 지적했다.

연구진은 또 “이번 발견은 멀리 떨어진 우주 공간에 탐사선을 보내는 임무에도 응용할 수 있으며, 태양계 안을 이동하는 소행성이나 혜성의 이해를 깊게 하는 연구에 도움이 될 가능성이 있다”고 밝혔다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr