[하정열의 시·그림과 함께 떠나는 우주여행](52) 카이퍼 벨트(Kuiper Belt)

인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 우리가 명왕성을 가까이 보려면 ‘카이퍼 벨트(Kuiper Belt)’에 진입해야 한다. 카이퍼 벨트란 해왕성 바깥쪽에서 태양계 주위를 도는 작은 천체들의 집합체이다. 단주기혜성의 주요 근원지로 알려져 있으며, 왜행성 중 명왕성, 하우메아, 마케마케가 여기에 속해있다. 

아일랜드의 천문학자 에지워스(Edgeworth)와 미국의 천문학자 제러드 카이퍼(Gerard Kuiper)가 각각 황도면 가까운 곳에 혜성의 집합장소가 존재할 것이라 제안하였다. 한 때는 모든 혜성의 기원이 오르트구름이라고 생각했지만, 관측결과 대부분의 단주기혜성의 궤도 경사각이 0에 가까운 것에서, 단주기혜성의 기원은 원형의 오르트구름이 아닌 원반형의 카이퍼 벨트라고 추정하게 되었다.

1980년대부터 1990년대에 걸쳐 여러 팀이 카이퍼 벨트를 확인하기 위해 탐색을 시작했다. 그리고 1992년 8월, 제인 루(Jane Luu)와 데이비드 주이트(David Jewitt)가 태양에서 멀리 떨어진 소행성 1992QB1을 발견했다. 소행성의 궤도가 확정되자 1992QB1은 카이퍼 벨트 천체인 것이 판명되었다.

카이퍼 벨트에 있는 천체를 카이퍼 벨트 천체(KBO)라고 한다. 주로 물과 얼음으로 된 작은 천체로 보통 소행성으로 취급한다. 1992QB1은(명왕성, 카론 제외) 최초의 KBO이며 명왕성보다 먼 최초의 소행성이다. 그 후 다음 해인 1993년에는 5개, 그 후엔 매년 10개 이상의 KBO가 발견되었고, 그 지역에 실제로 많은 천체가 존재한다는 것이 밝혀졌다.

KBO는 고전적 KBO와 흩어진(scattered) KBO, 그리고 공명 KBO로 나눌 수 있다. 고전적 KBO는 보통 궤도거리가 약 30~50AU로 볼 수 있다. 그리고 흩어진 KBO는 고전적 KBO에 비하여 궤도 이심률이 크다. 또한 궤도 기울기도 더 큰 편이며, 근일점의 거리는 보통 35AU 정도로 보고 있다. 그리고 이 흩어진 KBO는 단주기 혜성의 근원중 하나인 것으로 추측하고 있다. 마지막으로 공명 KBO는 해왕성과 궤도공명 관계에 있으며, 공전주기의 비율에 의해, 명왕성 족 등 몇 개의 족으로 나뉜다.

그동안 태양에서 지구 거리(1AU)의 30~50배에 달하는 곳에 있어 망원경으로 직접 확인하기에는 너무 작고 희미하지만 아주 작은 천체들이 태양 빛이 미치지 않는 어둠 속을 떠돌고 있을 것으로 추정했었다. 그러나 이런 예측과 달리 1㎞ 안팎의 작은 천체는 의외로 적다는 연구결과가 나왔다. 카이퍼 벨트는 우리가 앞으로 태양계를 넘어 우리은하를 여행하려면 반드시 지나쳐야 할 지역으로 더 많은 탐사가 필요할 것이다.

카이퍼 벨트는 태양계의 해왕성 궤도보다 바깥이며, 황도면 부근에 천체가 도넛 모양으로 밀집한 영역이다. 바깥쪽의 경계는 모호하나 오르트구름과 이어져 있으리라 추정된다. 카이퍼 벨트대는 작은 얼음 천체들로 이루어진 원반형의 영역으로, 소행성대와 비슷하지만 태양으로부터 거리 30AU~55AU에 걸쳐 있는 멀고 넓은 영역이다.

카이퍼 벨트는 해왕성에 의해 많은 영향을 받는다. 즉 목성의 중력이 소행성대를 지배하면서 그 구조를 형성하는 것과 같이 해왕성의 중력은 카이퍼 벨트대를 지배한다. 태양계의 나이만큼 오랜 시간 동안 특정 지역들이 해왕성의 중력 때문에 불안정해졌고, 카이퍼 벨트대 구조 안에 틈을 만들어냈다. 이런 천체들 200개 이상이 발견된 카이퍼 벨트대는 가장 많은 천체들이 발견된 곳이며, 명왕성도 여기에 포함된다.

카이퍼 벨트는 쉽게 태양과의 거리로 구분하지만, 정확히는 궤도 장반경과 근일점 거리로 정의된다. 카이퍼 벨트는 고전적 카이퍼 벨트와 산란원반(Scattered Disk)으로 나눈다. 확장된 산란반원(Extended Scattered Disk)를 넣기도 하나, 안쪽 경계인 해왕성 궤도를 제외하고 다른 부분의 구분은 아직까지는 명확하지 않다.

고전적 카이퍼 벨트란 궤도 장반경이 해왕성(약 30AU)보다 크고, 공전주기가 해왕성의 약 2배(48~50AU) 이하인 천체들의 영역을 말한다. 이곳의 천체들은 해왕성의 중력의 영향을 강하게 받으며, 이 부분만을 카이퍼 벨트라고 부르는 경우도 있다.

산란반원은 궤도 장반경이 약 48~400AU 정도인 영역으로, 근일점거리는 약 40AU 이하이며, 근일점에서는 해왕성의 중력의 영향을 받는다.

확장된 산란 원반(Extended Scattered Disk)은 궤도 장반경이 약 48~500AU, 근일점 거리가 약 40~80AU이다. 이 영역에서는 해왕성의 중력의 영향을 거의 받지 않고, 일반적인 고전적 카이퍼 벨트에는 포함되지 않는다. 전체적인 카이퍼 벨트는 도넛 모양의 평평한 디스크 형이라고 할 수 있다.

이러한 모든 개념을 담아 그림 '카이퍼 벨트232001S'를 그리고, 태양계의 끝자락에서 울타리 역할을 다하는 모습을 생각하며 시 '태양계 울타리 카이퍼 벨트'를 지었다.

태양은 해왕성 저 넘어 
먼 아주 머언 넓은 벌판에 
카이퍼 벨트대라는 울타리를 치고 
자식과 손주들을 보호하고 있나봐

명왕성, 하우메아와 마케마케라고
불리우는 왜소행성들은 
할아버지가 처준 울타리에 
아름답고 웅장한 집을 짓고

증손주들인 망나니 혜성들도 
손에 손을 잡고 뛰어 놀다가
사람들의 숨결이 그리워지면 
우리에게 훨훨 날아오나봐