팽이처럼 자전하는 소행성 TC4,

요프 효과로 변화하는 과정 최초 포착 

- 비주축 자전 소행성(2012 TC4)의 회전 변화 원인 세계 최초 규명

■ 한국천문연구원(이하 ‘천문연’)과 체코 카렐대학교(Charles University) 공동 연구팀은 소행성 2012 TC4(이하 ‘TC4’)가 일반적인 소행성과 달리 특이한 비주축 자전운동*을 하는 현상을 확인하고 관측 데이터를 분석해 TC4의 자전주기가 빨라졌다는 새로운 사실을 발견했다.

    *비주축 자전운동(non-principal axis rotation): 팽이가 쓰러지기 직전에 비틀거리면서 회전하듯이 자전하며 이처럼 자전축이 회전하는 세차운동이 동시에 일어나는 자전운동

□ 소행성들은 대부분 화성과 목성 궤도 사이를 공전하는 소행성대에 분포하지만, 지구 가까이 지나가는 근지구 소행성도 있다. 근지구 소행성 TC4는 지난 2012년과 2017년에 각각 지구로부터 약 95,000km, 50,000km 거리까지 접근했다. UN이 승인한 국제 가상 네트워크인 국제소행성경보네트워크(IAWN)*와 천문연은 각각 TC4 관측 캠페인을 추진했으며, 천문연이 주도하는 캠페인에는 전 세계 21개 천문대가 참여, TC4의 밝기 변화를 추적했다. 천문연-카렐대학교 공동 연구팀은 이 관측 데이터를 분석해 TC4의 3D 형상 모델을 구현했고 그 결과, 2012년부터 2017년까지 5년 사이에 TC4의 자전 속도가 18초 빨라졌다는 것을 알아냈다.

    *국제소행성경보네트워크(IAWN, International Asteroid Warning Network): UN이 승인한 가상 네트워크로 근지구소행성을 발견, 추적하고, 충돌확률을 계산해 일정 수준의 위협이 예측될 경우, 경보를 발령하고 이를 UN과 회원국 정보에 알려 피해 저감대책을 강구한다. 한국에서는 천문연이 대표로 참여하고 있다.

□ 소행성은 스스로 빛을 내지 않지 않고 햇빛을 일부만 반사하는 데다, 크기가 작아 직접 관측하고 연구하는 데 제약이 많다. 연구진은 TC4가 자전하며 태양빛을 반사해 나타나는 밝기의 변화를 역산해 3D 모델을 구현했고 이를 통해  TC4가 비주축 자전 소행성임을 밝혔다. 또한 소행성에 가해지는 여러 가지 내외부적 요인을 가정해 계산한 결과, TC4의 자전 상태가 달라진 주요 원인은 소행성의 태양 에너지 흡수와 재방출에 따른 요프 효과(YORP, Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii– Paddack effect) 때문이라고 밝혔다.

□ TC4가 완전한 구형이며, 표면에 흡수된 태양 에너지가 모든 방향으로, 동시에 같은 세기로 재방출 된다면 문제가 없지만, TC4는 구형이 아닌, 길쭉한 타원체다. 그 결과 TC4 표면에 흡수된 태양 에너지가 방향에 따라 다른 세기로 방출되며, 이 때문에 TC4의 회전 방향이 시간에 따라 변화할 수밖에 없다. 

□ 이번 연구를 주도한 천문연 이희재 박사는 “근지구 소행성의 특성과 요프 효과에 관한 연구는 지구 충돌 가능성이 높은 소행성의 정밀한 궤도를 알아내기 위해 매우 중요하다”며 “이번 연구를 통해 비주축 자전 소행성의 자전 변화를 실제로 확인했고, 이러한 천체가 어떤 물리적 변화를 겪는지 예측하는 데 활용할 수 있다”고 말했다. 

□ 천문연은 비주축 자전을 하는 또 다른 소행성 아포피스(Apophis)에 대한 직접탐사 임무를 계획하고 있다. 아포피스는 2029년 4월 14일 지표면에서 3만 1천km 상공을 통과할 것으로 예상한다. 아포피스는 요프 효과보다는 지구 중력에 의한 조석력의 영향을 받아 자전 특성이 변하리라 예측된다. 연구책임자인 천문연 문홍규 박사는 “이 논문은 비주축 자전 근지구 소행성에 대해 요프 효과를 최초로 검출한 성과로, 앞으로 아포피스 탐사 임무를 기획하는 데 논문에 쓴 분석 방법을 그대로 적용할 예정이다”고 말했다. 

□ 이 연구 결과는 ‘미국 천문학회 천문학 저널’(Astronomical Journal) 2021년 2월 11일자에 게재됐다. 

[참고 1] 동영상 및 그림

□ 참고 동영상

  - 소행성 2012 TC4의 궤도 동영상 링크: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLMMHrDeROUD-w~~.mp4

    (2012년과 2017년 관측 당시의 소행성 2012 TC4의 궤도를 확인할 수 있다.)

  - 소행성 2012 TC의 회전 운동 동영상 링크: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLMMHbneRecC-w~~.mp4

    (2012년과 2017년 사이 2012 TC4의 회전 운동이 변화한 것을 확인할 수 있다.)

□ 참고 그림

그림1. 소행성 2012 TC4의 3D 형상 모형

그림2. 소행성 2012 TC4의 2012년(완쪽)과 2017년 광도 곡선(오른쪽) 

2012 TC4가 회전하면서 표면에서 반사된 빛의 밝기가 변화하는 것을 나타낸 자료이다. 파란색 점은 관측된 광도 자료를 나타내며 검은색 ‘+’는 수학적으로 계산된 광도 곡선과 관측 자료의 차이를 나타낸다.

[참고 2] 용어 설명

1. 소행성 2012 TC4

2012 TC4는 2012년 미국 하와이대학 팬스타즈팀(Pan-STARRS)이 발견한 근지구  소행성이다. 크기는 15m x 8m로 추정돼 다소 작지만 2013년 2월 15일 러시아 첼랴빈스크에 상공에서 폭발한 소행성(~17m)과 비슷해 지구에 충돌할 경우 국지적으로 인명과 재산 피해를 줄 수 있다. TC4는 자전 주기가 27.8분이며 세차 주기가 8.5분으로 빠르게 회전하는 소행성이며 반사율이 높은 암석들로 이뤄진 것으로 추정된다.

2. 비주축 자전 소행성

자전과 세차를 동시에 일으켜, 마치 쓰러지기 직전에 비틀거리는 팽이처럼 자전축이 회전하는 소행성을 의미한다. 이런 천체는 비교적 최근에 충돌을 겪었거나, 몸체 일부가 떨어져 나갔거나, 지구와 같은 행성을 가까이 스치고 지나갔거나 아니면 태양 복사압을 받아 역학적 변화를 겪었다는 것을 뜻한다. 이런 천체가 어떤 원인으로 인해 그런 상태에 이르렀는지 파악하는 것은 매우 중요하다. 그러나 비주축 자전 소행성은 고정된 축 중심으로 자전하는 소행성의 운동에 비해 복잡하며 회전 특성을 알기 위해서는 다른 소행성에 비해 장기간에 걸친, 시간상으로 훨씬 촘촘하게 기록한 관측 자료가 필요하다. 따라서 이들에 관한 연구는 긴 시간과 지구상의 여러 시간대에 걸친 관측시설(망원경)은 물론, 집중적인 국제 협업이 필요해 극히 드물게 이뤄질 수밖에 없다.

3. 요프(YORP) 효과

소행성도 지구처럼 자전하기 때문에 낮과 밤이 생긴다. 대기와 물이 없는 작은 소행성은 낮 지역은 금세 뜨거워지고 반대로 밤인 지역은 금세 차가워진다. 이로 인해 소행성에서 나오는 복사 에너지도 낮과 밤에 상당한 차이가 있다. 이처럼 소행성이 방출하는 에너지의 차이는 요프 효과(YORP, Yarkovsky- O‘Keefe-Radzievskii-Paddack effect)를 일으켜 TC4의 경우처럼 그 자전 특성이 달라진다. 지구처럼 크고 무거운 행성들에 대해서는 요프 효과가 무시할 만큼 작지만, 작고 가벼운 소행성들의 경우에는 무시할 수 없다. 왜냐하면, 그 효과는 천체의 지름에 반비례하기 때문이다. 

  동시에, 야르콥스키 효과(Yarkovsky effect)를 통해 천체의 자전 방향에 따라 궤도장반경(타원의 긴 지름)이 커지거나 작아지기도 한다. 이 효과는 상대적으로 작지만, 소행성을 한 방향으로 조금씩 계속 밀어내 결국 궤도를 바꿀 수 있다. 

[참고 3] 천문연이 주도한 2012 TC4 관측 캠페인에 참여했거나 천문연과 관측자료를 공유한 연구팀이 사용한 망원경 

[참고 4] 논문

ㅇ 게재지: The Astronomical Journal, 3월호

ㅇ 제목: Spin Change of Asteroid 2012 TC4 Probably by Radiation Torques

ㅇ 저자

  - 이희재(한국천문연구원)

  - Josef Durech(Charles university, 체코)

  - David Vokrouhlický(Charles university, 체코)

  - Petr Pravec(Ondrejov Observatory, 체코)

  - 문홍규(한국천문연구원)

  - William Ryan(New Mexico Institute of Mining and Technology, 미국)

  - 김명진(한국천문연구원)

  - 김천휘(충북대학교)

  - 최영준(한국천문연구원, 과학기술연합대학원대학교) 외 3인

ㅇ 게재 일자: 2021년 2월 11일 (온라인 게재)

-문의-

한국천문연구원 우주과학본부 이희재 박사 (Tel : 042-865-2102)

한국천문연구원 우주과학본부 문홍규 박사 (Tel : 042-865-3251)