카론

카론은 명왕성의 가장 큰 위성이며, 자신이 도는 천체에 비해 태양계에서 가장 큰 위성이다. 반지름 약 606km로 명왕성 지름의 약 절반에 달하며, 두 천체는 크기가 거의 비슷해서 행성과 그 위성이라기보다는 서로 묶인 한 쌍처럼 움직인다. 둘의 공통 질량 중심은 두 천체 사이의 빈 공간에 있어서, 각 천체는 자신의 표면 바깥에 있는 한 점을 중심으로 돈다 — 명왕성과 카론이 단순한 위성-모행성 관계가 아니라 종종 쌍성 왜행성계로 불리는 이유다.

발견 이후 거의 40년 가까이 카론은 명왕성 곁의 흐릿한 점 같은 동반자에 불과했다. 그 상황은 2015년 7월, NASA의 뉴호라이즌스 탐사선이 이 계를 통과하며 아무도 예상치 못했을 만큼 지질학적으로 극적인 세계의 첫 선명한 모습을 전송해 오면서 바뀌었다.

사진 건판의 불룩한 자국에서 발견되다

카론은 1978년 6월 22일 애리조나에 있는 미 해군 천문대 플래그스태프 관측소에서 제임스 크리스티가 동료 천문학자 로버트 해링턴과 함께 작업하던 중 발견했다. 크리스티는 애초에 위성을 찾고 있던 것이 아니었다 — 그는 명왕성의 궤도를 더 정밀하게 다듬기 위해 사진 건판을 측정하던 중, 명왕성의 상이 이상하게 길쭉하다는 것을, 즉 일정한 주기로 나타났다 사라지는 희미한 불룩함을 알아챘다. 이 주기적인 번짐은 당시 망원경으로는 명왕성과 깔끔하게 분리해 낼 수 없을 만큼 가까운 위성이었던 것으로 밝혀졌다.

크리스티는 명왕성이 다스리는 저승으로 영혼을 실어 나르는 뱃사공의 이름을 따 '카론'이라는 이름을 제안했다 — 신화적으로도 잘 어울렸을 뿐 아니라, 아내 샬린의 애칭인 '샤(Char)'를 은근히 반영한 것이기도 했다. 국제천문연맹은 1985년 이 이름을 공식 채택했다. 이 발견은 곧바로 이 계에 대한 천문학자들의 이해를 예리하게 다듬어 주었다. 카론의 궤도를 추적함으로써 마침내 명왕성의 실제 질량과 크기가 확정되었고, 이는 기존 추정치보다 명왕성이 훨씬 작다는 사실을 드러냈다.

서로를 붙든 잠긴 포옹

카론은 명왕성으로부터 약 19,600km 떨어진 곳을 도는데 — 많은 위성이 자신의 거대 행성에 붙어 도는 것보다도 가까운 거리다 — 거의 완벽한 원형에 가깝고 기울기도 미미한 궤도를 6.39일마다 한 바퀴씩 돈다. 이 주기는 우연이 아니다. 명왕성 자체의 자전 주기와 정확히 일치한다. 이 계는 이중으로, 즉 상호적으로 조석 고정되어 있어서 두 천체가 영원히 서로 같은 면만을 마주 보인다.

그 결과는 상상하기에도 기이하다. 카론의 명왕성 쪽 반구에서 보면 명왕성은 하늘에 멈춰선 채 걸려 있어서, 뜨거나 지는 법이 없이 제자리에서 천천히 표면 무늬와 위상만을 바꾼다. 두 천체 중 어느 쪽이든 반대편 반구에서는 상대가 아예 보이지 않는다. 이는 태양계 전체를 통틀어 행성-위성 간 동기화된 춤의 가장 완벽한 사례다.

쪼개져 열린 지각

뉴호라이즌스는 많은 과학자들이 예상했던, 두들겨 맞아 균일하게 얼어붙은 얼음 덩어리보다 훨씬 분주한 표면을 드러냈다. 카론의 가장 두드러진 특징은 표면을 가로지르는 거대한 협곡과 골짜기 띠로, 비공식적으로 '세레니티 카스마'라 불리는 협곡을 포함해 1,600km가 넘게 뻗어 있다 — 그랜드 캐니언 길이의 약 네 배에 달하며, 일부 구간은 깊이도 약 두 배에 이르러 최대 7km까지 파고든다. 임무 지질학자들은 마치 이 위성의 지각 전체가 쪼개져 열린 것 같았다고 설명했다.

이 균열은 고대의 내부 바다를 기록하고 있는 것일 수 있다. 만약 카론이 한때 얼음 껍질 아래에 액체 물 층을 품고 있었다면, 그것이 얼어붙으면서 위성이 팽창할 수밖에 없었을 것이고, 그 과정에서 내부로부터 바깥 지각이 갈라졌을 것이다. 거대한 협곡들 남쪽에는 불칸 평원이 자리하는데, 넓고 비교적 매끄러우며 충돌구가 적은 이 평원은 다시 표면이 덮인 것으로 보인다 — 아마도 균열을 통해 솟아 올라와 얼어붙은 물과 암모니아의 빙화산성 '용암'이 오래전 이곳을 뒤덮었을 것이다.

모르도르라 불리는 붉은 얼룩

카론의 북극은 톨킨의 중간계에 나오는 어두운 땅의 이름을 딴 '모르도르 마쿨라'라는, 흐릿하고 붉은 갈색을 띤 반점으로 덮여 있다. 그 기원은 이 근접 비행에서 나온 가장 우아한 결과 중 하나다. 명왕성의 희박한 대기에서 빠져나온 기체 — 주로 메탄 — 가 카론으로 흘러 들어가 그곳 겨울 극지방의 깊은 추위 속에 갇히는데, 그곳의 온도는 기체를 얼려 굳힐 만큼 낮다.

카론의 긴 계절이 흐르는 동안 이 얼어붙은 메탄은 자외선과 방사선의 폭격을 받아 분해되고, 그 잔여물은 '톨린'이라 불리는 더 무겁고 붉은빛을 띠는 유기 화합물로 조리된다. 수백만 년에 걸쳐 이것들이 쌓이면서 우리가 보는 어두운 얼룩이 만들어진다. 결국 한 천체가 조용히 자신의 동반자의 극지방을 채색하고 있는 셈이다 — 명왕성과 카론을 잇는 화학적 연결고리가 표면에 새겨진 것이다.

얼음으로 덮인, 공기 없는 세계

명왕성과 달리 카론은 이렇다 할 대기가 없고 명왕성의 다채로운 색조도 거의 보이지 않는다. 표면은 물 얼음이 주를 이루며, 빙화산 활동의 과거를 암시하는 암모니아 함유 화합물 얼룩이 곳곳에 있고, 붉은 극관을 제외한 대부분의 지형은 회색빛에 충돌구가 많다. 지름은 명왕성의 절반이지만 질량은 그 절반에 훨씬 못 미치는 카론은 밀도가 낮고 얼음이 풍부한 천체로, 젊은 명왕성에서 거대한 충돌로 튕겨 나온 파편에서 형성되었다는, 지구의 달에 대해서도 제기되는 것과 같은 큰 그림의 시나리오와 부합한다.

관측하는 방법

카론은 뒷마당 관측자들에게는 진정한 도전 과제다. 명왕성 거리에서 두 천체는 14등급에 가까운 밝기로 빛나는데, 이는 육안이나 소형 망원경의 한계를 훌쩍 넘어서며, 카론은 명왕성에 워낙 가까이 붙어 있어서 둘을 시각적으로 분리해 내려면 대형 아마추어 장비와 뛰어난 시상, 그리고 인내심 있는 기술이 필요하다. 대부분의 애호가들은 대신 명왕성과 카론을 여름철 은하수의 별들 사이를 서서히 가로지르는 하나의 분리되지 않은 점으로 관측한다. 카론의 협곡과 그 그늘진 붉은 극지방을 제대로 보려면, 2015년 뉴호라이즌스가 전송해 온 영상이 지금으로서는 유일한 창이다.