카리클로

카리클로(Chariklo)는 알려진 센타우루스족 천체 중 가장 큰 천체다. 센타우루스족은 카이퍼 벨트에서 태양계 안쪽으로 이동하는 도중 거대 행성 영역을 가로지르는, 얼음으로 이루어진 불안정한 천체들의 무리를 말한다. 지름은 약 250km에 불과해, 대략 50개를 나란히 늘어놓아야 겨우 지구 하나의 크기가 될 정도로 작다. 토성과 천왕성 사이, 태양으로부터 20억 km가 넘는 먼 궤도를 돈다. 존재 대부분의 기간 동안 카리클로는 탐사 영상 속 눈에 띄지 않는 하나의 점에 불과했다.

그런데 2013년, 천문학자들이 카리클로가 멀리 있는 별 앞을 지나가는 모습을 관측하다가 그 어떤 소천체에서도 확인된 적 없던 것을 발견하면서 상황이 달라졌다. 바로 선명하고 촘촘한 두 겹의 고리였다. 하룻밤 사이에 (10199) 카리클로라는 이름으로만 목록에 올라 있던 희미한 천체가, 자체 고리 시스템을 가진 것으로 확인된 최초의 비행성 천체가 되었고, 고리가 어디에서 형성되고 살아남을 수 있는지에 대한 재고를 촉발했다.

토성과 천왕성 사이를 떠도는 방랑자

카리클로는 켄타우로스족에 속한다. 이 부류의 이름은 절반은 말이고 절반은 사람인 그리스 신화 속 켄타우로스에서 따온 것으로, 이 천체들이 소행성과 혜성 두 가지 정체성에 걸쳐 있기 때문이다. 카리클로는 궤도 장반경 15.78AU의 궤도를 63년에 한 번씩 돌며, 토성과 천왕성의 궤도 사이를 오간다. 이 궤도는 천왕성과의 4:3 공명에 매우 가까워, 그 공명 지점으로부터 약 0.09AU 이내에 위치하는데, 이는 이 얼음 거대 행성의 중력이 계속해서 궤도를 흔들 만큼 가까운 거리다.

이러한 중력에 의한 목자 효과(shepherding)가 바로 센타우루스족 천체를 일시적인 존재로 만드는 원인이다. 이들은 거대 행성들 사이에서 무한정 안정된 궤도를 유지할 수 없다. 수백만 년에 걸쳐 근접 조우가 결국 카리클로를 안쪽으로 튕겨내 태양열로 인해 혜성으로 변하게 하거나, 혹은 바깥쪽으로, 즉 센타우루스족의 기원으로 여겨지는 카이퍼 벨트로 되돌려 보낼 것이다.

발견과 신화 속 이름

카리클로는 1997년 2월 15일 애리조나주 키트피크 국립천문대의 스페이스워치 탐사 프로그램에 의해 발견되었다. 이는 초기에 알려진 센타우루스족 천체 다수를 발견한 것과 동일한 자동 탐색 프로그램이다. 이름은 그리스 신화 속 님프인 카리클로(Chariclo)에서 따왔는데, 공교롭게도 그녀는 최초로 발견된 센타우루스족 천체(1977년 발견)의 이름의 유래가 된 케이론(Chiron)의 아내였다.

지름 약 250km로 알려진 센타우루스족 천체 중 단연 가장 크지만, 행성의 기준으로 보면 여전히 매우 작다. 표면은 어둡고 붉은빛을 띠며, 물 얼음과 규산염 광물, 비정질 탄소, 그리고 수많은 먼 얼음 천체들을 붉게 물들이는 톨린이라는 복합 유기 화합물이 뒤섞여 있다. 불안정한 사촌뻘 천체들과 달리 카리클로는 가스나 먼지로 이루어진 혜성 같은 코마를 전혀 보이지 않는데, 태양으로부터의 거리를 감안하면 얼음이 승화하기에는 너무 차갑기 때문이다.

고리가 모습을 드러낸 밤

2013년 6월 3일, 카리클로가 희미한 별을 가리며 남미 일부 지역에서 별빛이 잠깐 사라지는 엄폐 현상이 예측되었다. 아르헨티나, 브라질, 칠레, 우루과이 전역의 망원경을 사용한 관측팀이 이 현상을 기록했는데, 별빛이 카리클로 본체를 사이에 두고 양쪽에서 대칭적으로 두 차례 더 깜빡이며 사라진다는 사실을 발견했다. 이 추가적인 감광 현상이 바로 두 개의 좁은 고리의 흔적이었다.

안쪽 고리는 '오이아포키(Oiapoque)'라는 별칭으로 불리며 폭이 약 7km로 둘 중 훨씬 조밀하고, 바깥쪽 고리인 '추이(Chuí)'는 폭이 약 1km에도 못 미치는 훨씬 얇은 띠다. 이 비공식 이름들은 브라질의 북쪽과 남쪽 국경을 이루는 강의 이름에서 따왔다. 두 고리는 카리클로 중심으로부터 약 400km 거리를 돌며, 그 사이에는 약 9km의 뚜렷한 간격이 있고, 주로 물 얼음으로 이루어진 것으로 보인다. 이 발견은 오래된 수수께끼 하나를 말끔히 풀어주었다. 카리클로는 2008년경 원인 모르게 어두워지면서 스펙트럼에서 물 얼음의 특징이 사라졌는데, 바로 그 무렵이 고리가 옆면을 보이는 각도가 되어 관측 시야에서 거의 사라졌을 시점과 정확히 일치했다.

이토록 작은 천체에 고리가 있다는 수수께끼

2013년 이전까지 고리는 거대한 중력으로 입자를 질서정연한 궤도에 붙들어 둘 수 있는 거대 행성들만의 전유물로 여겨졌다. 지름 250km에 불과한 천체가 날카로운 경계를 가진 고리를 유지한다는 것은 이치에 맞지 않는다. 원래대로라면 충돌과 궤도 확산으로 인해 길어야 수백만 년 안에 고리가 흐릿한 구름 형태로 흩어져 버려야 했다.

이 고리가 여전히 남아 있다는 사실은 고리가 뜻밖에도 젊거나, 아니면 무언가가 적극적으로 고리를 가두고 있음을 시사한다. 유력한 후보로는 아직 발견되지 않은 목자 위성(shepherd moonlet)들, 혹은 카리클로의 길쭉한 형태와 7시간이라는 빠른 자전이 스핀-궤도 공명을 통해 물질을 안정된 궤도로 쓸어 모으는 좀 더 미묘한 메커니즘이 꼽힌다. 이 고리는 아마도 충돌이나 작은 위성의 파괴에서 비롯되었을 것으로 보인다.

새로운 관측의 지평

카리클로는 어떤 우주선이 방문하기에도 너무 작고 멀리 있기 때문에, 이 천체에 대해 알려진 사실 대부분은 그것이 배경 별을 가리는 모습을 관측하는 방법에서 나온다. 이는 지구 전체를 거대하고 참을성 있는 하나의 탐지기로 바꾸는 기법이다. 2022년 10월 18일, 제임스 웹 우주망원경은 사상 최초로 항성 엄폐 관측을 수행하여, 카리클로 고리의 그림자가 별빛을 가로지르는 모습을 포착했고, 지구 대기권 밖에서 그 구조를 확인했다.

후속으로 이루어진 웹 망원경의 분광 관측에서는 이 시스템에서 처음으로 결정질 물 얼음의 명확한 흔적이 검출되었다. 이는 의미심장한 사실인데, 고에너지 방사선은 보통 결정질 얼음을 비정질 형태로 흩뜨려 놓기 때문에, 결정질 얼음이 살아남아 있다는 것은 고리 안에서 신선한 얼음을 계속 노출시키는 미소 충돌이 지금도 일어나고 있음을 암시한다. 카리클로는 더 이상 외톨이가 아니다. 2013년의 획기적인 발견 이후 센타우루스족 천체 케이론 주변에서도 고리 같은 물질이 보고되었고, 왜소행성 하우메아와 왜소행성 후보 콰오아 주변에서도 조밀한 고리가 발견되면서, 카리클로는 규모는 작지만 점차 늘어나고 있는 '고리를 가진 소천체 클럽'의 선구자가 되었다.