카론 — 명왕성이 붉게 물들인 쌍둥이 위성

1.카론은 어떤 위성일까 — 명왕성의 절반이나 되는 쌍둥이

카론은 지름 약 1,212km로 명왕성 지름의 절반에 이르고, 질량은 명왕성의 약 12%다. 모행성 대비 이만큼 큰 위성은 태양계 어디에도 없다.

위성이라는 말을 들으면 흔히 행성 곁에 딸린 작은 돌덩이를 떠올린다. 그런데 카론은 그 그림과 사뭇 다르다. 지름이 약 1,212km로, 명왕성 지름 2,377km의 절반이 조금 넘는다. 지구와 달을 떠올려 보면 이 크기가 얼마나 뜻밖인지 몸으로 와닿는다. 달은 지구 지름의 4분의 1쯤이고 질량은 지구의 80분의 1, 그러니까 1.2% 남짓이다. 반면 카론은 명왕성 질량의 약 8분의 1, 12%에 이른다. 행성과 위성의 몸집이 이렇게까지 엇비슷한 짝은 태양계를 통틀어 명왕성과 카론뿐이다.

그래서 카론을 두고 단순히 명왕성의 위성이라 부르기가 어쩐지 야박하게 느껴진다. 표면은 명왕성처럼 알록달록하지 않고 대체로 밋밋한 회색이다. 명왕성이 질소·메탄 얼음으로 여러 빛깔을 두른 세계라면, 카론은 물 얼음이 주로 덮인 담담한 세계다. 두 천체는 성질도 얼굴빛도 다르지만, 크기만큼은 형제처럼 나란하다. 명왕성이 살짝 큰 형이고 카론이 반 뼘쯤 작은 동생이라 여기고 바라보면, 이 먼 얼음 세계의 관계가 한결 또렷해진다.

2.명왕성과 카론은 왜 '쌍성'이라 불릴까 — 바깥에 있는 무게중심

카론이 워낙 크고 가까워, 두 천체의 공통 무게중심이 명왕성 표면 바깥 빈 공간에 놓인다. 그래서 둘은 흔히 쌍성으로 불리며, 약 6.4일에 한 번씩 서로를 돈다.

보통 위성은 행성 안쪽에 자리한 무게중심을 조용히 돈다. 지구와 달도 그렇다. 둘의 공통 무게중심은 지구 반지름 안쪽, 그러니까 지구 몸속에 있어서, 우리는 달이 지구를 도는 것처럼 자연스럽게 여긴다. 그런데 명왕성과 카론은 이 관계가 눈에 띄게 다르다. 카론이 워낙 무겁고 명왕성에서 겨우 1만 9600km밖에 떨어져 있지 않은 탓에, 두 천체의 무게중심이 명왕성 표면을 벗어나 두 별 사이 허공에 놓인다. 명왕성이 카론을 거느린다기보다, 두 세계가 허공의 한 점을 붙잡고 함께 빙그르르 도는 그림이다. 천문학자들이 이 짝을 흔히 쌍성, 곧 이중 천체라 부르는 까닭이 여기에 있다.

서로를 도는 방식도 유별나다. 명왕성과 카론은 약 6.387일에 한 번씩 공통 무게중심을 돈다. 그런데 이 공전 주기가 두 천체의 자전 주기와 똑같다. 달은 늘 같은 면만 지구에 보여 주지만 지구는 스스로 팽팽 돌아 낮과 밤을 바꾸는데, 명왕성과 카론은 둘 다 서로에게 같은 면만 내보인 채 굳어 있다. 카론에서 명왕성을 보면 명왕성이 하늘 한자리에 붙박인 듯 떠 있고, 명왕성에서 카론을 봐도 카론이 늘 같은 곳에 걸려 있다. 두 세계가 서로에게서 끝내 눈을 떼지 않는, 태양계에서 좀처럼 보기 힘든 응시다.

3.카론 북극의 붉은 얼룩 '모르도르' — 그 정체

카론 북극의 붉은 갈색 지역 모르도르 마쿨라는, 유기 화합물 톨린이 극지에 쌓여 만들어진 것으로 본다.

뉴호라이즌스가 보내온 카론은 앞서 말했듯 대체로 담담한 회색이다. 그런데 그 회색 얼굴에 딱 한 군데, 좀처럼 눈을 뗄 수 없는 자리가 있었다. 북극을 넓게 덮은 붉은 갈색 얼룩이다. 카론을 처음 또렷이 본 과학자들이 이 지역에 붙인 이름이 모르도르 마쿨라, 소설 《반지의 제왕》 속 어둠의 땅에서 딴 비공식 이름이다. 회색 세계의 정수리에 검붉은 왕관이 얹힌 듯한 이 얼룩은, 지름이 수백 km에 이를 만큼 넓었다. 얼음뿐이라 여겼던 위성에 이런 색이 왜 있을까. 그것부터가 수수께끼였다.

이 붉은 기의 정체로 지목된 것이 톨린이라는 물질이다. 톨린은 메탄 같은 단순한 분자가 자외선에 오래 구워지며 만들어지는, 크고 끈끈한 유기 알갱이다. 색은 처리된 정도에 따라 붉은빛에서 검은빛까지 걸쳐 있다. 태양계 바깥쪽의 여러 얼음 천체가 이 톨린 때문에 불그스름한 낯빛을 띤다. 그러니 카론의 붉은 극도 톨린이 쌓인 자리라는 데까지는 어렵지 않게 짐작할 수 있었다. 정작 놀라운 대목은 그다음이었다. 이 톨린을 만든 재료가 대체 어디서 왔느냐는 물음에서, 이야기는 카론을 넘어 명왕성으로 건너간다.

4.명왕성이 자기 위성을 물들였다 — 탈출한 메탄의 여행

2016년 그런디 팀은, 명왕성 대기에서 탈출한 메탄이 카론의 겨울 극에 얼어붙고 자외선에 구워져 붉은 톨린이 된다고 보고했다. 카론의 붉은 극은 명왕성이 남긴 자국이라는 해석이다.

명왕성에는 얇은 대기가 있고, 그 대기의 메탄이 조금씩 우주로 새어 나간다. 그런데 바로 곁에 카론이 있다. 두 천체 사이는 겨우 1만 9600km, 명왕성 지름의 여덟 배 남짓밖에 안 되는 가까운 거리다. 명왕성에서 빠져나온 메탄 기체 가운데 일부가 이 짧은 틈을 건너 카론에 다다른다. 마침 카론의 극은 한 번 겨울이 들면 수십 년을 이어 가며 상상하기 힘들 만큼 차가워진다. 그 극단적으로 차가운 극에 명왕성발 메탄이 서리처럼 얼어붙는다. 과학에서는 이렇게 차가운 자리가 기체를 붙드는 현상을 저온 포집이라 부른다.

극에 얼어붙은 메탄은 그 자리에서 가만있지 않는다. 오랜 세월 태양의 자외선과 우주 공간에서 날아드는 라이먼알파 빛에 꾸준히 구워지며, 더 무겁고 복잡한 탄화수소로, 다시 붉은 톨린으로 바뀐다. 이윽고 극에 봄이 찾아와 얼음이 승화해 날아가도, 한번 무겁게 구워진 톨린만은 자리를 뜨지 못하고 극에 눌러앉는다. 그렇게 세월이 쌓인 결과가 지금 우리가 보는 붉은 왕관이라는 것이다. 2016년 그런디 팀은 이 그림을 관측과 모형으로 엮어 발표했다. 다만 이것은 직접 목격한 사건이 아니라 여러 정황을 이은 해석이므로, 그런디 팀도 이를 하나의 유력한 설명으로 제시한다. 이후 몇몇 후속 연구가 계절에 따른 응결 과정과 에탄 같은 중간 물질을 더 촘촘히 따지며 이 그림을 다듬어 가는 중이다. 확실한 것은, 카론의 붉은 극을 들여다보는 일이 곧 명왕성이 뱉어 낸 숨결을 되짚는 일이라는 점이다.

카론의 붉은 극을 들여다보는 일은, 명왕성이 뱉어 낸 숨결을 되짚는 일이다.

5.카론의 거대 협곡 — 얼어붙은 바다가 남긴 흉터

카론 표면을 가로지르는 거대한 협곡 벨트(아르고 협곡은 깊이 약 9km)는, 초기 지하 바다가 얼며 부풀어 지각을 갈라놓은 흔적으로 해석된다.

카론의 얼굴에는 붉은 극 말고도 눈을 붙드는 것이 하나 더 있다. 위성 적도를 따라 1,000km 넘게 이어지는 거대한 협곡 벨트다. 그중 아르고 협곡은 깊이가 약 9km에 이른다. 지구의 그랜드캐니언이 깊이 약 1.6km, 길이 약 450km인 걸 떠올리면, 카론의 이 균열이 얼마나 어마어마한지 가늠이 된다. 뉴호라이즌스 연구진이 이 지형에 '슈퍼 그랜드캐니언'이라는 별명을 붙인 것도 과장이 아니다. 지름이 지구의 10분의 1도 안 되는 작은 위성 표면에, 지구의 것을 몇 배씩 웃도는 협곡이 통째로 새겨져 있는 것이다.

이 거대한 흉터가 어떻게 생겼는지를 두고, 연구자들은 카론이 젊었던 시절의 지하 바다를 떠올린다. 아주 오래전 카론 속에는 액체 물로 된 바다가 얼음 껍질 아래 고여 있었으리라 본다. 세월이 흐르며 이 바다가 통째로 얼어붙었는데, 물은 얼면 부피가 커진다. 안에서 얼음이 부풀며 껍질을 밀어붙이자, 카론의 지각이 견디다 못해 쩍 갈라졌다는 그림이다. 남반구에 넓게 펼쳐진 매끈한 벌컨 평원도 같은 사건의 다른 얼굴로 읽힌다. 지하에서 얼음 섞인 물질이 화산처럼 배어 올라와 옛 지형을 덮어 새로 포장했다는 것이다. 카론은 죽은 채 굳어 버린 돌덩이가 아니었다. 한때 안에서 뜨겁게 뒤척이던 세계였다.

6.제임스 웹이 본 카론 — 표면에 남은 화학의 흔적

2024년 제임스 웹은 카론 표면에서 이산화탄소와 과산화수소를 처음으로 검출해, 이 얼음 세계의 표면이 지금도 화학적으로 변하고 있음을 보였다.

뉴호라이즌스가 카론을 스쳐 지난 뒤에도 관측은 멈추지 않았다. 2024년, 제임스 웹 우주망원경이 카론을 겨눴다. 웹의 근적외선 분광기는 뉴호라이즌스가 닿지 못한 파장까지 들여다볼 수 있었고, 프로토파파 팀은 이 자료에서 카론 표면의 이산화탄소와 과산화수소를 처음으로 짚어 냈다. 이산화탄소는 카론 내부에서 올라온 것으로, 과산화수소는 표면의 물 얼음이 바깥에서 온 힘에 처리되며 생긴 것으로 해석됐다.

이 가운데 과산화수소가 특히 눈길을 끈다. 과산화수소는 물 얼음이 자외선과 우주에서 날아드는 입자에 두들겨 맞아 쪼개졌다가 다시 엮이는 과정에서 만들어진다. 그러니 카론 표면에 과산화수소가 있다는 건, 이 위성의 겉면이 지금 이 순간에도 햇빛과 우주선에 반응해 조금씩 변하고 있다는 뜻이다. 붉은 극을 빚어낸 화학이 이 별의 다른 곳에서도 여전히 조용히 굴러가고 있는 것이다. 반세기 전 흐릿한 점 하나로 발견됐던 카론은, 이렇게 한 겹씩 벗겨질 때마다 더 살아 있는 세계로 드러난다.

7.서로를 마주 본 채 도는 두 세계

명왕성과 카론은 서로에게서 눈을 떼지 않는다. 한쪽이 늘 같은 얼굴을 다른 쪽에 보이며, 두 세계는 수십억 년을 그렇게 마주 본 채 돌아 왔다. 그 오랜 응시 사이, 명왕성의 얇은 숨결이 조금씩 건너가 카론의 정수리를 붉게 물들였다. 위성 하나를 들여다봤을 뿐인데 그 안에서 행성의 숨결이 읽히는 건, 두 세계가 그토록 가까이, 그토록 오래 붙어 지냈기 때문이다. 카론의 붉은 극은 결국 관계가 남긴 자국이다.

가만 보면 이건 우리에게도 낯설지 않은 이야기다. 오래 곁에 둔 사람의 말버릇이 어느새 내 입에 붙어 있고, 늘 지나던 골목의 공기가 나도 모르게 내 취향에 스며든다. 우리는 곁에 둔 것들에 조금씩 물들며 지금의 내가 된다. 60억 km 밖 두 얼음 세계가 서로를 물들이는 방식이, 오늘 당신이 곁의 누군가에게 물들어 가는 방식과 그리 다르지 않다. 오늘 문득 당신의 어떤 표정이 누구를 닮았는지 떠오른다면, 저 먼 카론의 붉은 극을 한번 떠올려 봐도 좋겠다. 우리는 모두, 오래 마주 본 것들의 빛깔을 조금씩 나눠 가진 채 살아간다.