오우무아무아(1I/2017 U1, 'Oumuamua)의 정체는 결국 수소 얼음이 아니다!
- 최초의 외계 성간천체, 수소 얼음이라면 태양계까지 오기 힘들어
- 기존 유력 가설 뒤집는 결과

■ 태양계에서 관측된 최초의 외계 성간천체 1I/2017 U1('Oumuamua, 이하 오우무아무아)*의 기원과 정체에 대해서 다양한 주장이 제기되고 있다. 한국천문연구원 티엠 황(Thiem Hoang) 박사가 이끄는 국제연구팀은 성간천체 오우무아무아가 수소 얼음으로 이루어졌다는 최근 유력 연구결과와 달리 수소 얼음으로 만들어지지 않았다는 것을 밝혔다.

 * 1I/2017 U1('Oumuamua): 2017년 하와이대학 팬스타즈(Pan-STARRS)팀이 발견한 최초의 태양계 바깥에서 온 성간천체. 오우무아무아는 하와이어로 '먼 곳에서 찾아온 메신저'라는 뜻이다. 처음에는 소행성과 혜성으로 오인했으나 형태, 궤도, 속도, 가속운동 등의 특징을 통해 외계에서 온 성간천체로 확인되어 '1I/2017 U1'로 명칭이 바뀌었다.

오우무아무아의 상상도(©Joy Pollard, The International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA)

□ 2018년 스피처(Spitzer) 우주망원경을 이용해 관측한 결과 오우무아무아는 예상치 못한 속도로 빨라지며 마치 로켓이 엔진 추력으로 가속되는 것처럼 태양 중력만으로는 설명하기 어려운 비중력 가속운동을 보였다. 이 결과를 토대로 오우무아무아가 수소 얼음으로 이뤄졌고 표면에서 분출되는 기체가 오우무아무아를 가속 시킨다는 연구결과가 최근 발표됐다.(Seligman & Laughlin, 2020) 수소 얼음은 아직 우주에서 발견된 적이 없지만, 만약 발견된다면 우주에서 온도가 가장 낮은 것으로 알려진 거대분자운(GMC, Giant Molecular Cloud)의 중심부에서 만들어졌을 가능성이 크다.

□ 한국천문연구원 티엠 황 박사와 하버드-스미소니언 천체물리연구센터(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) 아브라함 로브(Abraham Loeb) 교수는 거대분자운의 밀도가 가장 높은 영역에서 수소 얼음덩이가 만들어지는 시나리오를 시험하면서 수소 얼음덩이가 거대분자운과 성간물질(interstellar medium)에서 생존할 수 있는 수명을 계산했다. 그 결과 거대분자운에서는 수소 얼음덩이로 이루어진 성간천체가 만들어질 수가 없다는 것을 밝혀냈다. 또한 이러한 수소 얼음덩이가 형성됐다 하더라도 거대분자운에서 성간물질로 이동해 태양계에 진입하기까지 기체입자들과 충돌하거나 태양빛을 받아 기화되어 결국 파괴된다고 결론지었다.

□ 연구팀은 가장 가까운 거대분자운 중 하나인 GMC W51에서 수소 얼음덩이가 만들어진다고 가정했다. GMC W51은 지구로부터 약 1만 7천 광년 떨어져 있다. 그러나 약 200m 크기의 오우무아무아 수소 얼음덩이가 거대분자운에서 태어났다 하더라도 성간물질을 통과하는 긴 여정 동안 기체입자들과 충돌해 열적 승화가 일어나며 결국 천만년 이내에 사라질 것이라고 분석했다. 천만년은 수소 얼음덩이가 지구에서 가장 가까운 분자운에서 태어나더라도 우리 태양계까지 도달하기에는 너무 짧은 시간이다. 만일, 오우무아무아가 5km보다 큰 수소 얼음덩이라면 승화 과정을 거쳐 태양계로 진입한 뒤, 지금과 같은 크기로 작아져 살아남을 수 있겠으나, 우리가 현재 알고 있는 물리이론으로는 그 정도 크기의 수소 얼음덩이가 만들어지는 과정을 설명하는 것은 불가능하다고 설명했다.

□ 이번 연구를 이끈 한국천문연구원 이론천문연구센터의 티엠 황 박사는 “우리는 수소 얼음덩이가 거대분자운에서 형성되는 과정을 규명함과 동시에 만약 분자운에서 수소 얼음덩이가 쉽게 형성된다면 이러한 성간천체는 우주에 흔하게 존재할 것이며, 이는 현대 천문학의 난제인 암흑물질(dark matter)의 강력한 후보가 될 수 있을 것이라는 가정에서 이 연구를 시작했다”고 말했다. 또한 공동저자인 하버드-스미소니언 천체물리연구센터 아브라함 로브 교수는 “오우무아무아는 수소 얼음덩이가 아니라는 것은 알아냈지만 이 성간천체가 어떻게 태어났으며 무엇으로 만들어졌는지 규명하는 것은 여전히 천문학자들에게 남겨진 숙제다. 이러한 성간천체 연구는 우주의 기원을 밝힐 결정적인 단서를 제공해 줄 수 있을 것”이라고 말했다.

□ 천문학자들은 오는 2022년 베라 루빈 천문대(VRO, Vera C. Rubin Observatory)의 세계 최대 8.4m 탐사 망원경이 본격 가동되면 이러한 성간천체를 일 년에 1~2개꼴로 찾을 수 있을 것이라 예측하고 있다. 한국천문연구원 우주과학본부의 문홍규 박사는 "2017년 오우무아무아에 이어, 2019년에는 보리소프(2I/Borisov)가 발견돼 태양계 밖 외계천체 발견에 대한 기대가 커지고 있다.”며 “한국도 이러한 거대 연구시설을 이용해 우리 태양계뿐만 아니라, 외계행성계 기원 천체에 관한 연구까지 확장할 수 있게 되기를 기대한다.”고 말했다.

□ 한편 해당 논문은 천체물리학저널(The Astrophysical Journal Letters) 8월 17일자에 게재됐다.(보도자료 끝. 참고자료 있음.)

[문의]

☎ 042-865-3343, 이론천문센터 티엠 황(Thiem Hoang) 선임연구원

[참고 1] 참고 영상
ㅇ 천문학자들이 추정하는 오우무아무아의 형상과 비주축 자전 운동 모습((©Joy Pollard, The International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA) : https://www.gemini.edu/images/pio/News/2017/pr2017_10/exoss_body_1920x1080.mp4

[참고 2]  용어 설명

오우무아무아(1I/2017 U1, ‘Oumuamua) 성간천체

1I/2017 U1(‘Oumuamua)는 지난 2017년 하와이대학 팬스타즈(Pan-STARRS) 팀이 발견한 태양계에서 관측된 최초의 ‘성간천체’다. 1은 처음으로 발견되었다는 의미이며, I는 성간 천체(interstellar object)를 분류하는 기호다. ‘Oumuamua(오우무아무아)는 하와이어 ‘ou와 mua를 2개 연결해서 만든 이름으로 의미는 '먼 곳에서 찾아온 메신저'라는 의미다.
오우무아무아가 발견된 것은 2017년 9월 9일 근일점을 지난 이후 이미 40일이 경과한 뒤였다. 이 천체는 발견됐을 당시 지구로부터 3천4백만km 만큼 떨어져 있었는데, 이것은 지구-달거리의 약 89배에 해당한다. 오우무아무아의 태양계 진입 속도는 초속 26.3km에 달했는데 2017년 9월 9일 근일점에서는 초속 87.7km라는 무서운 속도로 질주했다. 오우무아무아는 2017년 11월엔 화성 궤도를, 2018년 5월엔 목성 궤도, 2019년 1월에는 토성 궤도를 지났으며. 마침내 2022년에는 해왕성 궤도 밖으로 탈출한다.
오우무아무아는 너무 작은 데다 지구에서 한참 멀어진 이후에 발견돼 어두웠기 때문에 정확하게 그 형태를 알아내기 어려웠다. 천문학자들이 추적한 밝기 변화를 보면 오우무아무아는 길이 방향으로 약 200m, 폭 방향으로 약 30m의 시가 모양이라고 추정된다. 오우무아무아는 이처럼 장축과 단축의 비가 비정상적으로 크며, 팽이가 쓰러지기 전에 뒤뚱거리는 것과 비슷한 비주축 자전을 한다. 또한 우리 태양계 내의 혜성과 소행성들은 평균 초속 19km/s 정도로 움직이는데 비해 오우무아무아는 태양계에 속한 것으로 생각하기에는 이동 속도가 너무 빠른 등 여러 면에서 특이한 천체다. 이 때문에 오우무아무아가 소행성인가, 혹은 혜성인가에 대해서는 여전히 논란이 있으며, 어떤 사람들은 외계인의 우주선이라고 주장하기도 했다.

별 생성과 거대분자운(Giant Molecular Clouds)

우주에는 먼지와 기체, 우리가 사는 지구와 같은 행성, 태양과 같은 별들이 분포한다. 별들 사이에는 먼지와 기체들이 있는데 이들을 성간물질(Interstellar Medium, ISM)이라고 한다. 별은 이러한 성간물질에서 태어나며, 별이 수명을 다하면서 방출하는 물질 역시 성간물질로 되돌아간다. 성간물질은 별이 태어나는 요람인 동시에, 무덤인 셈이다. 그러나 성간물질이 있는 모든 곳에서 별이 탄생하는 것은 아니다. 별은 이 가운데 밀도가 높고 상대적으로 온도가 낮은 분자운에서 태어난다. 거대분자운은 주로 수소 분자로 구성되어 있으며, 크기는 수십에서 수백 광년에 이른다. 이처럼 거대분자운은 별의 생성과정에 결정적인 역할을 하며, 분자구름은 섭씨 영하 270도에 이를 정도로 매우 낮다.

베라 루빈 천문대(VRO, Vera C. Rubin Observatory)

칠레 쎄로 파촌(Cerro Pachon)에 건설 중인 베라 루빈 천문대는 2022년부터 본격 가동될 예정이다. 이 사업은 미국국립연구재단(NSF) 주관하에 미국 대학천문학연구연합(AURA), 미국 에너지부(DOE), LSST 연합(LSSTC) 외에 여러 나라의 대학, 연구기관들이 건설과 운영에 참여한다. 현재 한국천문연구원에서도 참여를 추진하고 있다. 루빈 천문대의 핵심은 지름 8.4m 의 시모니 탐사 망원경(Simonyi Survey Telescope)과 그에 딸린 32억 화소 카메라다. 망원경 자체의 구경은 현재 건설 중인 거대망원경들에 비해 작은 편이지만, 천구의 3.5도 범위를 고해상도로 촬영할 수 있는 능력을 지녔다. 특정 천체가 아닌, 우주의 넓은 지역을 동시에 관측하는 데 특화된 것이다. 천문학자들은 이 관측자료를 이용해서 암흑물질과 암흑에너지 연구, 초신성 폭발과 같은 일시적 이벤트의 관찰, 소행성 탐색 등에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

[참고 3] 논문

ㅇ 게재지: The Astrophysical Journal Letters, 8월호
ㅇ 제목: Destruction of Molecular Hydrogen Ice and Implications for 1I/2017 U1 (`Oumuamua)
ㅇ 저자
  - Thiem Hoang(한국천문연구원 선임연구원, 과학기술연합대학원대학교 교수)
  - Abraham Loeb(하버드-스미소니언 천체물리연구센터(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) 및 하버드 대학교 천문학과 교수)
ㅇ 게재일자: 2020년 8월 17일 (온라인 게재)