심우주를 비행하는 눈사람들

"심우주를 비행하는 눈사람"은 명절 농담이 아닙니다. 해왕성 너머의 많은 소천체들이 왜 서로 붙어 있는 두 개의 눈덩이를 닮았는지를 설명하는 최근 연구에서 나온 문자 그대로의 묘사입니다. 2026년 2월 26일, Michigan State University 연구원들은 Arrokoth와 같은 카이퍼 벨트 천체(Kuiper Belt Objects)에서 관찰되는 상징적인 이엽형(two-lobed) 형태를 재현한 시뮬레이션 결과를 발표했습니다. 이 연구는 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 3월호에 게재가 확정되었습니다. MSU 대학원생 Jackson Barnes와 Planetary Science Institute 및 MSU 공동 연구진이 개발한 이 모델은 얼음 자갈 구름이 자체 중력으로 붕괴할 때, 파편들이 산산조각 나는 대신 부드럽게 병합되면서 접촉 이중성(contact binaries)이 자연스럽게 발생할 수 있음을 보여줍니다.

심우주를 비행하는 눈사람: 새로운 시뮬레이션

Barnes와 동료들의 시뮬레이션은 자갈 구름의 중력 붕괴가 태초의 접촉 이중성(눈사람처럼 맞닿은 두 개의 엽으로 구성된 물체)을 형성할 수 있음을 보여주는 최초의 완전한 자기 일관적 증명입니다. 연구팀은 여러 소천체가 형성되고 이동하며 드문 고에너지 충돌이나 이색적인 과정 없이 접촉 상태로 안착하는 과정을 담은 짧은 영상을 제작했습니다. 이는 우주선 근접 비행과 망원경 조사를 통해 카이퍼 벨트 소천체의 상당 부분이 접촉 이중성이라는 사실이 밝혀졌기 때문에 중요합니다. 즉, 타당한 형성 모델이라면 이들을 빈번하게 만들어낼 수 있어야 합니다.

이전의 계산 모델들은 인위적으로 조절된 충돌이나 외부 이벤트 없이는 두 엽을 결합하는 데 자주 실패했습니다. Barnes의 접근 방식은 분산되어 있고 중력적으로 불안정한 자갈 구름에서 시작하여 중력과 역학적 상호작용이 스스로 작동하게 합니다. 구름이 수축함에 따라 느린 상대 속도와 부드러운 조우를 통해 응집체들이 이엽형 구조로 병합될 수 있으며, 이는 밀도가 낮은 외계 태양계에서 온전한 상태로 유지됩니다.

심우주를 비행하는 눈사람과 카이퍼 벨트

새로운 시뮬레이션은 이러한 형태가 드문 사고가 아니라 카이퍼 벨트의 미행성 형성 과정에서 나타나는 자연스러운 결과임을 보여줍니다. 밀도가 낮은 벨트 환경에서 두 엽이 접촉하고 나면 이후의 고속 충돌 가능성은 희박해집니다. 즉, 이 취약한 눈사람 모양이 수십억 년 동안 살아남아 초기 태양계를 들여다볼 수 있는 비교적 원시적인 창으로서 우리에게 도달할 수 있다는 의미입니다.

얼음 부착의 물리학

외계 태양계의 거의 진공 상태와 미세 중력 속에서 서리로 덮인 미세한 입자와 자갈들이 어떻게 서로 달라붙을까요? 그 해답은 부드러운 역학과 표면 물리학의 조합에 있습니다. 충돌하는 입자들 사이의 속도가 초속 수 킬로미터가 아닌 수 센티미터 정도로 낮을 때, 충돌은 에너지를 소산시키는 경향이 있어 응집체들이 부서지는 대신 결합하게 됩니다. 이러한 조건은 상호 중력이 이웃 입자들 사이의 상대 속도를 줄여주는 자갈 구름의 느린 붕괴 과정 중에 흔히 발생합니다.

작은 척도에서는 단거리 힘이 중요합니다. 분자 사이의 약하고 보편적인 힘인 반데르발스 인력(Van der Waals attraction)은 접촉 면적이 작을 때 응집력을 제공합니다. 정전기 전하도 역할을 할 수 있습니다. 햇빛이나 플라즈마로 인한 차별적 대전은 상황에 따라 입자들이 서로 끌어당기거나 밀어내게 만들 수 있으며, 이는 초기 덩어리 형성을 도울 수 있습니다. 동시에, 카이퍼 벨트의 극저온 환경에서 얼음은 지구와 같은 온도에서와는 다르게 행동합니다. 접점에서의 소결(sintering)과 서리의 재응결이 시간이 지남에 따라 입자들을 용접하듯 붙여주기 때문에 표면이 더 끈적거릴 수 있습니다.

실험실 연구와 행성 과학 전반의 이론적 작업은 낮은 충돌 속도, 반데르발스 응집력, 가능한 정전기 인력 및 열에 의한 소결과 같은 이러한 효과의 결합이 미세한 얼음 입자들조차 더 큰 응집체로 병합되게 한다는 것을 보여줍니다. 이러한 응집체들은 이후 폭주 과정을 통해 더 커져 수 킬로미터 크기의 미행성을 형성하며, Barnes가 모델링한 조건 하에서는 이엽형 접촉 이중성으로 이어집니다.

자갈에서 접촉 이중성까지: 중력 붕괴

MSU 팀이 테스트한 핵심 메커니즘은 고밀도 얼음 자갈 구름의 중력 붕괴입니다. 이 시나리오에서는 원시 행성계 원반 내의 기상학적 덩어리 형성이나 입자들을 집중시키는 유동 불안정성(streaming instabilities)과 같은 고체의 국부적 농축이 하부 영역의 밀도를 충분히 높여 자체 중력이 구름의 분산 경향을 압도하게 만듭니다. 구름이 붕괴함에 따라 개별 자갈 덩어리들이 형성되고 상호작용합니다.

결정적으로, 붕괴는 입자들이 무작위적인 고속 궤도로 서로 부딪히는 대신 공통의 중심을 향해 떨어지는 집단적인 과정이기 때문에 인접한 덩어리들 사이에 낮은 상대 속도를 생성하는 경향이 있습니다. 이러한 부드러운 조우는 고착 및 접촉 이중성으로의 재구성을 유리하게 만듭니다. MSU 시뮬레이션은 초기 밀도와 각운동량에 따라 단일 구형, 이중성, 접촉 이중성 등 다양한 결과가 가능함을 보여주지만, 이엽형 형태는 현실적인 매개변수 범위 내에서 자연스럽게 나타나며, 이는 왜 망원경과 우주선 관측에서 이들이 상당한 수로 발견되는지를 설명해 줍니다.

표면 공정 및 우주선 서리

카이퍼 벨트에서 얼음 입자들이 응집되도록 돕는 것과 동일한 표면 물리학은 궤도에 있는 우주선 표면에 서리가 달라붙는 이유나 태양계의 추운 지역에 있는 착륙선과 장비에 서리가 쌓일 수 있는 이유를 설명해 줍니다. 미세 중력 상태에서는 서리를 떼어낼 강력한 하향 인력이 없습니다. 대신 분자 힘과 느린 재응결이 서리를 계속 부착시킵니다. 정전기적 부착은 먼지와 얼음 입자를 태양광 패널과 센서에 달라붙게 하여 먼지가 많거나 휘발성 물질이 풍부한 환경에서 작동하는 임무에 실질적인 공학적 골칫거리를 안겨줄 수 있습니다.

이러한 메커니즘을 이해하는 것은 학술적인 일에 그치지 않습니다. 표면이 얼마나 빨리 소결되는지, 또는 열 순환 하에서 두 엽 사이의 접점이 얼마나 견고할지 예측하는 것은 과학자들이 원격 관측을 해석하고 미래 임무를 계획하는 방식에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 이엽형 KBO를 목표로 하는 미래의 착륙선은 천체의 나머지 부분에 비해 약하게 결합되어 있을 수 있는 취약한 접촉 부위를 고려해야 합니다.

시사점 및 미래 관측

앞으로 소형 카이퍼 벨트 천체의 목록을 늘리는 망원경 조사와 향후의 근접 비행 또는 랑데부 임무는 엽의 크기 분포, 회전 상태, 표면 다공성 및 태초의 접촉 이중성 빈도 등 붕괴 모델의 상세한 예측을 테스트할 수 있을 것입니다. 실험실 실험과 정밀한 시뮬레이션 또한 얼음 입자의 초기 고착을 제어하는 미시 물리학(반데르발스, 정전기학 및 소결)을 탐구할 것입니다. 이러한 증거들은 태양계의 가장 차가운 지역에서 행성의 빌딩 블록들이 어떻게 조립되었는지에 대한 우리의 그림을 선명하게 해줄 것입니다.

출처