가장 큰, 최초의 왜소행성 세레스

태양계의 소행성대는 화성과 목성의 궤도사이에서 태양 둘레의 넓은 고리를 형성합니다. 대부분의 왜소행성은 수 킬로미터 크기를 가진 오래된 암석 파편들이지만, 그중에서 가장 큰 왜소행성 세레스는 흥미롭고 복잡한 세계인 것처럼 보입니다.

 

세레스는 1801년 1월 이탈리아의 주세페 피아치에 의해 소행성 중에서 최초로 발견됐는데, 그 당시에 많은 천문학자는 화성과 목성의 특이하게 큰 틈 사이에 '다섯 번째 행성'이 존재할 것이라고 확신하고 있었습니다. 실제로 처음에는 세레스를 새로운 행성으로 여겼는데, 이후 수십 년간의 발견을 통해서 무수히 많은 소행성 중 첫 번째이자 가장 큰  것으로 밝혀지고 있습니다. 하지만 세레스가 다른 행성들보다 더 작다는 것은 처음부터 확실했는데, 천문학자들은 그 크기가 수백 킬로미터에 불과하다고 추정했습니다.

 

오늘날 세레스의 지름은 대략 950km 정도로 알려져 있으며, 지금까지는 소행성대에서 가장 큰 천체입니다. 세레스는 소행성대 전체 질량의 1/3 정도에 해당하는 질량을 가지마, 구형을 유지할 수 있을 만큼의 충분한 중력이 있습니다. 이러한 사실은 2006년 국제천문연맹에 의한 태양계 내 천체들에 대한 새로운 분류법에 다르면, 세레스가 왜소행성으로 분류된다는 것을 의미합니다.

 

신비한 세계

세레스가 행성의 지위로 격상된 것은 대체로 언어적 문제이긴 하지만, 우연히도 바로 그 시기에 이 신기하고 작은 세계에 대한 새로운 관심의 물결이 생겨났으며, 이것이 우리가 기대한 것처럼 황량한 바윗덩어리가 아니라는 발견이 이뤄지기도 했습니다.

 

최근의 발견들은 대체로 허블 우주망원경에 의해 이뤄졌는데, 허블 우주망원경은 세레스를 또렷한 표면 지형을 가진 원반으로 분해했습니다. 2003년 12월부터 2004년 1월 사이, 코넬 대학교의 피터 토마스가 속해 있는 천문학 팀은 허블 우주망원경을 이용해 세레스가 완전히 회전하는 동안 267장의 연속 사진을 촬영했습니다. 

 

개별 이미지는 불가피하게 화소 처리됐지만, 그 사진들은 밝고 어두운 표면 지형들을 상당수 보여줬습니다. 아마 가장 중요한 것은 그들이 세레스가 적도 부분이 살짝 볼록한, 거의 완벽한 구형이라는 사실을 밝혀냈다는 점일 것입니다. 이런 모양은 이 소행성이 여러 층으로 분리된 개별적 내부 구조로 되어 있다는 사실을 나타냅니다. 다시 말해, 태양계의 내행성들처럼 세레스 역시 그 역사의 초기에 뚜렷한 진화를 겪은 것입니다.

 

표면을 탐구하다

초기의 분광학적 연구 결과 세레스는 C형 소행성으로 분류됐는데, 이 C형 소행성들은 탄소가 풍부한 광물로 표면이 뒤덮여 있고, 탄소질 콘드라이트 운석과 관련이 있는 것으로 여겨집니다. 일반적으로 탄도질 콘드라이트는 태양계가 형성된 이후 거의 변하지 않고 남아 있는 원재료 표본이라고 추측되며, 그 구분된 층을 가진 내부 구조에 대한 새로운 증거가 발견되기 전까지는 세레스가 특이하게 큰 C형 소행성일 것으로 생각했습니다.

 

그러나 지금은 상황이 훨씬 더 복잡합니다. 2006년 세레스의 적외선 스펙트럼을 연구하던 과학자들은 표면에서 수화 광물, 즉 물 분자를 그 안에 함유한 탄산염 광물과 점토의 증거를 발견했다고 발표했습니다. 이를 통해서 세레스를 형성한 재료들이 얼음과 수증기가 풍부하다는 것을 알 수 있는데, 이는 초기의 원시행성 성운의 동결선에 매우 근접한 세레스의 위치와 잘 들어맞습니다.

 

세레스에 얼음이 존재한다는 또 다른 증거들이 허블 이미지로부터 얻어졌는데, 밝은 중심부를 가진 어두운 지역은 아마도 지하의 신선한 얼음이 어두운 색깔의 지각을 뚫고 나와 외부에 노출된 것입니다. 또 다른 지면 위의 매우 밝은 지점은 아마도 반사율이 매우 높은 얼음이 널리 분포하는 지역일 것입니다.

 

변화하는 세계?

흥미롭게도 하와이의 켁 망원경으로 촬영된 세레스의 적외선 사진은 밝고 어두운 부분이 시간이 지남에 따라 변한다는 것을 보여 주였으며, 세레스에 얇은 수증기의 대기가 있을지도 모른다는 증거들이 존재합니다. 세레스는 태양이 2.5천문단위 안으로 결코 들어온 적이 없는 천체치고는 놀라울 정도로 따뜻한데, 그 표면 온도는 섭씨 영하 35도에 이릅니다. 이 온도는 얼음의 표면이 승화되기에는 충분한 온도입니다.  만약 이 이론이 옳다면 표면 밝기의 변화하는 패턴은 서리의 증발과 응결 때문일 것으로 추측됩니다.

 

세레스의 진화에 대한 몇몇 최근 이론들에 따르면 세레스는 분리된 층으로 이뤄진 내부 구조를 가지는데, 암석으로 이뤄진 핵, 그 주위의 100km 길피의 얼음 맨틀 그리고 심지어 액체 바다 층도 있을 것입니다. 왜소행성인 세레스는 지질학적으로는 오늘날 거의 죽어 있겠지만, 그 역사의 초기에는 핵으로부터 나온 열이 외행성의 위성들에서 보이는 활동과 비슷한 얼음 화산 활동을 촉발했을 수도 있습니다.

 

이러한 태양계 내에서의 크기와 위치 때문에, 대부분의 천문학자는 세레스가 45억 년 태양계가 막 탄생했을 때의 상태를 유지하면서 살아남아 있는 가장 큰 미행성체일 것이라는 데 동의합니다. 원시행성 성운의 이 지역에서 암석 물질들의 공급이 상대적으로 적었고 목성의 중력 영향도 있었기 때문에 세레스가 자라난 크기는 제한적이었음에도 운 좋게 살아 남았는데, 세레스를 제외한 다른 미행성체들은 타원궤도 안으로 진입하면서 태양계로부터 완전히 추방되거나 서로 충돌하고 합쳐져서 내행성을 형성했을 것입니다.

 

2008년 워싱턴 대학교의 윌리엄 B. 맥키논이 제시한 주장에 따르면, 세레스는 트리톤이나 플루토와 유사하게 카이퍼 벨트에서 유래한 얼음덩어리로써, 거대 외행성들의 이동 동안에 소행성대로 유입됐을지도 모른다고 합니다. 최근 2015년에 던 소행성 탐사선이 세레스의 궤도에 진입하여 세레스의 다양한 사진들을 보내오고 있으며, 이 매력적인 왜소행성을 집중적으로 연구하고 있습니다.