태양계의 끝은 어디? 카이퍼 벨트와 오르트 구름

태양계 바깥의 어두운 공간_NASA

"태양계의 끝은 어디인가?"

간단해 보이는 질문인데 답이 하나가 아닙니다. 무엇을 기준으로 삼느냐에 따라 경계가 세 군데나 됩니다. 그리고 그중 가장 바깥쪽은 아직 아무도 직접 본 적이 없습니다.

 

 

태양계의 경계 세 가지

기준	경계	거리
행성이 있는 범위	해왕성 궤도	30 AU
얼음 천체가 밀집한 원반	카이퍼 벨트 바깥쪽	약 50 AU
태양풍이 미치는 범위	태양권계면	약 120 AU
태양 중력이 지배하는 범위	오르트 구름 바깥쪽	최대 10만 AU

AU(천문단위)는 지구-태양 거리로, 약 1억 5,000만 km입니다.

 

마지막 줄이 압도적입니다. 오르트 구름까지 포함하면 태양계의 반지름은 약 1.5광년에 이릅니다. 가장 가까운 별까지 거리(4.2광년)의 3분의 1을 넘습니다.

2014 MU69를 쌍성 천체로 상상한 아티스트 컨셉_NASA

카이퍼 벨트 — 해왕성 너머의 원반

해왕성 궤도 바깥, 태양에서 30~50 AU 구간에 얼음 천체들이 원반 형태로 모여 있습니다. 이곳이 카이퍼 벨트입니다.

소행성대와 비슷해 보이지만 규모가 다릅니다.

비교	소행성대	카이퍼 벨트
위치	2~3 AU	30~50 AU
주성분	암석, 금속	얼음 (물, 메탄, 암모니아)
총 질량	달의 약 4%	지구의 약 10% 수준
대표 천체	세레스	명왕성, 에리스, 하우메아, 마케마케
관련 혜성	—	단주기 혜성의 고향

 

질량이 소행성대보다 훨씬 큽니다. 그런데도 발견이 늦었습니다. 최초의 카이퍼 벨트 천체(명왕성 제외)가 확인된 것은 1992년입니다. 너무 멀고 어두워서 관측이 어려웠기 때문입니다.

여기가 왜곳인가

카이퍼 벨트도 소행성대처럼 행성이 되지 못한 잔해입니다. 해왕성 바깥은 물질 밀도가 너무 낮아 큰 천체로 뭉치기 어려웠습니다.

명왕성이 행성 자격을 잃은 것도 이 때문입니다. 명왕성은 이 원반에 속한 여럿 중 하나이지, 그 구역의 지배자가 아닙니다.

아로코스 — 가장 멀리서 본 천체

2015년 명왕성을 지나친 뉴호라이즌스는 임무를 끝내지 않았습니다. 카이퍼 벨트 안쪽으로 더 들어가, 2019년 1월 1일 '아로코스'라는 천체를 근접 통과했습니다.

지구에서 약 65억 km 떨어진 곳이었고, 인류가 근접 촬영한 가장 먼 천체입니다.

모습이 특이했습니다. 두 개의 둥근 덩어리가 붙어 있는 눈사람 형태였습니다. 서로 다른 두 천체가 아주 느린 속도로 만나 부드럽게 합쳐진 것으로 보입니다.

이 발견이 중요한 이유가 있습니다. 행성이 만들어지던 초기 단계가 그대로 냉동 보존된 표본이기 때문입니다. 태양에서 워낙 멀어 열을 받지 않았고, 다른 천체와 충돌하지도 않았습니다. 46억 년 전 미행성이 어떻게 뭉쳤는지를 직접 보여주는 화석에 가깝습니다.

Voyager Probes Heliosphere Chart _NASA

 

태양권계면 — 태양풍의 끝

또 다른 경계는 태양풍으로 정의됩니다.

태양은 사방으로 하전입자를 뿜어냅니다. 이 흐름은 우주 공간을 밀어내며 거대한 거품 같은 영역을 만드는데, 이것을 태양권이라고 합니다.

그런데 성간 공간에도 물질이 있습니다. 태양에서 멀어질수록 태양풍은 약해지고, 어느 지점에서 성간 물질의 압력과 균형을 이룹니다. 더 나아가지 못하는 이 경계가 태양권계면입니다.

위치는 태양에서 약 120 AU 지점입니다.

보이저 1호가 2012년, 2호가 2018년에 이 경계를 넘었습니다. 넘어가는 순간 태양에서 온 입자는 급감하고 성간 입자가 급증하는 변화가 뚜렷하게 측정되었습니다.

이것을 "태양계를 벗어났다"고 표현하기도 하지만, 정확하지는 않습니다. 태양의 중력이 지배하는 범위는 이보다 훨씬 멀리까지 뻗어 있습니다.

Comet 67P Seen by Kepler 혜성_NASA

오르트 구름 — 아직 아무도 본 적 없는 곳

태양계의 진짜 바깥 경계는 오르트 구름입니다.

특징이 앞의 것들과 완전히 다릅니다.

원반이 아니라 구(球)입니다. 카이퍼 벨트는 행성들과 같은 평면에 놓인 납작한 원반이지만, 오르트 구름은 태양계 전체를 공처럼 감싸고 있다고 여겨집니다.

거리가 압도적입니다. 안쪽 경계가 약 2,000 AU, 바깥쪽은 최대 10만 AU로 추정됩니다. 카이퍼 벨트(50 AU)와 비교하면 2,000배입니다.

한 번도 관측된 적이 없습니다. 오르트 구름은 이론적 존재입니다. 개별 천체가 너무 작고 어둡고 멀어서 직접 볼 방법이 없습니다.

그럼 어떻게 있다고 아나

장주기 혜성 때문입니다.

주기가 수천 년에서 수백만 년에 이르는 혜성들은 특징이 있습니다.

• 공전 주기가 극단적으로 깁니다 → 아주 먼 곳에서 왔다는 뜻
• 아무 방향에서나 날아옵니다 → 출발지가 원반이 아니라 구형이라는 뜻
• 궤도를 역산하면 수만 AU 지점에서 출발한 것으로 나옵니다

이 세 가지를 설명하려면 태양계를 구형으로 감싼 거대한 저장고가 있어야 합니다. 1950년 네덜란드 천문학자 얀 오르트가 이 구조를 제안했고, 그의 이름이 붙었습니다.

어떻게 만들어졌나

오르트 구름의 천체들은 원래 그 자리에 있던 것이 아닙니다.

태양계 형성 초기, 목성과 토성이 자리를 잡는 과정에서 강력한 중력으로 주변의 얼음 천체들을 사방으로 튕겨냈습니다. 일부는 태양계 밖으로 완전히 날아갔지만, 일부는 아슬아슬하게 붙잡혀 극도로 먼 궤도를 도는 상태가 되었습니다.

즉 오르트 구름은 태양계 안쪽에서 쫓겨난 난민들의 집합입니다.

 

 

이곳은 어떤 곳일까

상상하기 어려운 환경입니다.

태양이 그냥 밝은 별 하나로 보입니다. 원반 형태로 보이지도 않습니다. 낮이라는 개념 자체가 없습니다.

온도는 절대영도에 가깝습니다. 영하 260도 안팎으로 추정됩니다.

천체 간 거리가 상상 이상입니다. 오르트 구름에 수조 개의 천체가 있다고 추정되지만, 공간이 워낙 넓어서 평균 간격이 수천만 km에 달합니다. 하나 위에 서 있어도 옆에 아무것도 없습니다.

공전 주기가 수백만 년입니다. 인류 역사 전체가 한 바퀴의 극히 일부에 불과합니다.

그 너머

오르트 구름을 벗어나면 진짜 성간 공간입니다.

가장 가까운 별은 프록시마 켄타우리로 4.2광년, AU로 환산하면 약 27만 AU입니다. 오르트 구름 바깥 경계가 10만 AU라면, 이웃 별의 오르트 구름과 우리 것이 서로 닿아 있을 가능성도 제기됩니다.

보이저 1호가 오르트 구름 안쪽에 도달하는 데 약 300년, 완전히 통과하는 데는 약 3만 년이 걸릴 것으로 예상됩니다. 이미 통신은 그보다 훨씬 전에 끊깁니다.

불규칙한 왜소은하_NSAS

자주 묻는 질문

태양계의 크기를 한마디로 말하면 얼마인가요?

기준에 따라 다릅니다. 행성 범위로는 반지름 30 AU, 태양풍 기준으로는 120 AU, 중력 기준으로는 최대 10만 AU입니다. 마지막 기준이면 지름이 약 3광년입니다.

오르트 구름을 직접 볼 수 있는 날이 올까요?

개별 천체를 직접 관측하는 것은 당분간 어렵습니다. 다만 그곳에서 온 장주기 혜성을 분석하면 간접적으로 성분을 알 수 있습니다.

카이퍼 벨트와 오르트 구름은 어떻게 다른가요?

모양과 거리가 가장 큰 차이입니다. 카이퍼 벨트는 납작한 원반이고 30~50 AU에 있으며 단주기 혜성의 고향입니다. 오르트 구름은 구형이고 수만 AU에 있으며 장주기 혜성의 고향입니다.

태양계 밖으로 나간 인공물이 있나요?

보이저 1호와 2호, 파이오니어 10호와 11호, 뉴호라이즌스가 그 방향으로 가고 있습니다. 다만 태양권계면을 넘은 것은 보이저 두 대뿐이고, 오르트 구름을 벗어난 것은 아직 없습니다.

자료 출처: NASA 뉴호라이즌스 임무 자료, NASA 보이저 1·2호 성간우주 관측 자료.

마무리

우리는 보통 해왕성까지를 태양계로 생각합니다. 하지만 그것은 행성이 있는 안쪽 구역일 뿐입니다.

그 너머로 얼음 천체의 원반이 펼쳐지고, 태양풍이 힘을 다하는 경계가 있고, 그리고 상상하기 어려운 거리에 아무도 본 적 없는 구름이 태양계 전체를 감싸고 있습니다.

가끔 밤하늘에 나타나는 장주기 혜성 하나가, 그 존재를 알려주는 유일한 증거입니다.

 

거리를 실감해 보는 법

카이퍼 벨트와 오르트 구름의 거리는 숫자로만 보면 감이 오지 않습니다. 축척을 바꿔 보겠습니다. 태양을 지름 1cm 구슬로 줄인다면 이렇게 됩니다.

대상	축소했을 때 거리
지구	1.1 m
해왕성	32 m
카이퍼 벨트 바깥	54 m
태양권계면	130 m
보이저 1호 현재 위치	180 m
오르트 구름 안쪽	2.2 km
오르트 구름 바깥	108 km
프록시마 켄타우리	290 km

 

태양이 구슬 하나일 때 지구는 한 걸음 거리, 해왕성은 운동장 끝입니다. 그런데 오르트 구름 바깥까지 가려면 서울에서 대전 정도를 걸어야 합니다. 우리가 ‘태양계’라고 부를 때 떠올리는 행성들은, 이 축척에서 구슬 주변 30m 안쪽에 전부 들어갑니다. 나머지 108km는 거의 빈 공간입니다.

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