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​[이광식의 천문학+] 5천만 년 후 화성도 토성처럼 변한다?

작성 2022.07.04 17:33 ㅣ 수정 2022.07.04 17:33
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▲ 화성의 두 위성 중 덩치가 큰 포보스. 화성정찰궤도선(MRO)에서 촬영했다. 5천만 년 후 화성의 조석력으로 가루가 되어 화성을 두르는 고리가 된다. HiRISE, MRO, LPL, NASA
 150년 전 동시 발견된 화성의 두 위성

 5천만 년 후면 화성도 토성처럼 고리를 두른 행성이 될 것이라는 예측이 나왔다. 

고리의 물질을 제공하는 공급원은 화성의 두 위성 중 덩치가 큰 포보스다. 지름 23km로 8시간마다 화성을 공전하는 이 달은 현재 100년마다 1.8m씩 나선형으로 화성에 추락하고 있는 중이다. 포보스의 궤도는 화성 표면 위 약 5,800km로, 우리 달의 40만km에 비해 모행성에 무척 가까운 편이다. 

이처럼 가까운 곳에서 공전하는 포보스는 모행성 화성의 중력으로 인해 끊임없이 조석력을 받음에 따라 점차 화성으로 끌려가고 있다. 그리하여 약 5천만 년 후에 포보스는 파괴되어 분해된 작은 파편들은 화성 주위를 두르는 고리가 될 것으로 예상된다. 

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▲ 화성정찰궤도선이 찍은 데이모스. 매끄럽게 보이는 표면에 최근 충돌한 것으로 보이는 크레이터가 흩어져 있다.NASA/JPL/University of Arizona

태양계의 여덟 행성은 수성, 금성, 지구, 화성의 4개 암석행성과, 목성, 토성 천왕성, 해왕성의 4개 가스행성으로 나뉘는데, 4개의 암석행성 중 수성과 금성은 아예 위성이 하나도 없고, 지구가 하나, 화성이 두 개를 가지고 있다. 화성 바깥으로는 소행성들의 영역인 소행성대가 있다.​ 

포보스와 데이모스의 형태는 감자처럼 울퉁불퉁하여 위성이라기보다 소행성과 흡사하다. 천체의 형태를 결정짓는 것은 중력으로, 천체가 공처럼 둥글려면 적어도 지름이 250km는 넘어야 하는데, 화성의 달들은 크기가 너무 작아 중력이 지배적인 힘으로 작용하지 못해 감자꼴이 된 것이다. 

이 붉은 행성을 공전하는 두 개의 작은 위성, 포보스와 데이모스는 초기 태양계의 형성에 관한 여러 가지 비밀을 지니고 있는 우주 암석이다. 이들의 출생 비밀은 아직 확실하게 밝혀지진 않았지만, 대략 화성과 목성 사이의 소행성 벨트에서 흘러왔다가 화성의 중력에 붙잡힌 것으로 생각히고 있다. 또는 우리 태양계의 훨씬 더 먼 곳에서 기원하는 소행성이었을 경우도 상정할 수 있다. 

미 항공우주국(NASA)의 화성정찰궤도선(MRO)이 찍은 위의 사진은 10m 정도의 해상력으로 소행성처럼 보이는 포보스를 뒤덮고 있는 수많은 크레이터들을 선명하게 잡아내고 있다. 

포보스와 데이모스를 발견한 사람은 미해군천문대에서 근무하던 고학생 출신의 천문학자 아사프 홀로, 1877년 8월 며칠 간격으로 두 위성을 발견했다. 이는 1610년 자작 망원경으로 목성의 4대 위성을 발견한 갈릴레오 갈릴레이 이후 약 250년 만에 최초로 지구 외의 위성을 발견하는 기록을 세운 셈이다. 

두 위성에는 그리스 신화에 나오는 전쟁신 아레스의 두 아들인 포보스(공포)와 데이모스(패배)라는 이름이 각각 붙여졌다. 

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▲ 화성의 두 달을 발견한 고학생 출신 천문학자 아사프 홀.Wiki
 

서로 다른 운명을 겪을 화성의 두 달

포보스는 지구의 달과 같이 자전주기와 공전주기가 같아서 화성에 대해 항상 같은 면만 향한다. 7시간 40분의 공전주기로 돌고 있는 포보스는 화성의 자전속도보다 빠르게 공전하기 때문에 화성 지표면에서 보면 서쪽에서 떠서 동쪽으로 지며, 데이모스는 약 23,400km 떨어져서 30시간 30분의 공전주기로 돌고 있다. 

화성에서 포보스는 지구의 달처럼 보이지 않는다. 더 먼 달인 데이모스는 밤하늘의 별처럼 보인다. 그것이 만월이 되어 가장 밝게 빛나면, 지구상에 보이는 금성과 닮았다. 

데이모스는 포브스와 함께 원래 소행성대에 있었다가 강력한 목성의 인력으로 소행성대를 튀어나와 근처를 지나가던 화성에게 포획되었다는 설이 가장 인정받고 있다. 데이모스는 가장 긴 축이 화성을 향하고 있어서 자전주기와 공전주기가 일치한다. 데이모스의 표면은 회색이며 매우 어둡고 평균 밀도(2g/cm3 이하)는 낮아 데이모스가 탄소질로 이루어졌음을 나타내며, 우주공간을 떠돌다 화성의 인력에 붙들린 소행성일 수도 있음을 시사하고 있다. 

화성으로부터 약 2만 3000km 떨어진 바깥 궤도를 돌고 있는 데이모스는 포보스와는 반대로 화성에서 점점 멀어지고 있으므로 언젠가는 화성의 중력에서 놓여나 외부로 탈출해갈 것으로 보고 있다. 

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▲ 화성정찰궤도선(MRO)
참고로, 지구의 달 역시 매년 3.8cm씩 멀어져가고 있어 10억 년 후에는 지구와 이별할 것으로 과학자들은 예측하고 있다. 회자정리(會者定離)는 우주의 법칙이기도 하다. 


2024년 일본항공우주국(JAXA)은 화성 위성들을 방문하기 위해 ‘화성 위성 탐사(Mars Moons eXploration:MMX) 프로젝트를 시작할 계획이다. MMX는 포보스의 표면에 착륙하여 샘플을 채취한 후 2029년에 지구로 돌아올 예정이다.

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com

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