명왕성 위성 넷은 왜 제멋대로 구를까 — 혼돈 자전하는 작은 달들

1.명왕성 위성은 몇 개일까 — 허블이 하나씩 찾아낸 네 점

명왕성 위성은 모두 다섯이다. 큰 위성 카론과, 그 뒤 허블 우주망원경이 찾아낸 작은 위성 넷(스틱스·닉스·케르베로스·히드라)이다.

명왕성의 위성 목록은 오랫동안 카론 하나로 끝이었다. 1978년 카론이 발견된 뒤로 스물일곱 해 동안, 그 곁에서 다른 식구는 나타나지 않았다. 그 침묵을 깬 것이 허블 우주망원경이다. 2005년, 명왕성계를 자세히 겨눈 허블의 사진 속에서 흐릿한 점 두 개가 새로 잡혔다. 닉스와 히드라다. 이어 2011년에는 케르베로스가, 2012년에는 스틱스가 같은 방식으로 모습을 드러냈다. 일곱 해에 걸쳐 명왕성의 식구가 하나에서 다섯으로 불어난 셈이다. 카론을 뺀 넷은 모두 지구에서 60억 km 밖의 점을 집요하게 노려본 허블의 눈이 찾아낸 발견이다.

이름에는 저마다 지하 세계의 신화가 깃들어 있다. 스틱스는 산 자와 죽은 자의 경계를 흐르는 강, 닉스는 그 강가를 다스리는 밤의 여신, 케르베로스는 저승 문을 지키는 머리 셋 달린 개, 히드라는 아홉 머리를 지닌 물뱀이다. 죽음의 신 플루토(명왕성)를 둘러싼 이름들이 자연스럽게 한자리에 모인 것이다. 다만 이 작은 달들은 발견됐을 때부터 이름값을 톡톡히 했다. 흐릿한 점 넷은 얌전히 도는 대신, 곧 밝혀지듯 저마다 몸을 어지럽게 뒤채고 있었기 때문이다.

2.네 작은 달의 크기 — 도시만 한 얼음 감자들

닉스와 히드라는 가장 긴 쪽이 약 40~55km, 스틱스와 케르베로스는 10~12km 안팎이다. 넷 모두 둥글지 않고 길쭉한 감자 모양이다.

작은 달이라는 말은 결코 과장이 아니다. 넷 가운데 큰 편인 닉스와 히드라조차 가장 길게 재도 40~55km 남짓이다. 서울을 가로지르는 거리쯤 되는 몸집이니, 지름 1,212km인 카론에 견주면 스무 배 넘게 작다. 스틱스와 케르베로스는 더 자잘해서, 가장 긴 쪽이 10~12km 안팎에 지나지 않는다. 웬만한 소도시 하나를 얼음으로 빚어 우주에 띄워 놓은 크기다. 명왕성계는 이렇게 큰 명왕성과 카론이 가운데를 차지하고, 그 둘레를 감자만 한 얼음 알갱이 넷이 도는 구조다.

모양도 눈여겨볼 만하다. 이 달들은 하나같이 공처럼 둥글지 않고 길쭉하게 찌그러져 있다. 천체는 몸집이 어느 정도 커야 제 중력으로 스스로를 공 모양으로 다독일 수 있는데, 이 작은 달들은 그러기엔 너무 가볍다. 그래서 태어난 그대로의 우툴두툴한 형태를 간직한다. 카이퍼대라 불리는 명왕성 바깥 얼음 벨트의 작은 천체들이 대개 이런 길쭉한 모습을 띤다고 여겨진다. 그리고 바로 이 찌그러진 몸매가, 다음 이야기에서 드러날 어지러운 자전의 씨앗이 된다.

3.3:4:5:6 — 카론에 박자를 맞춘 궤도

네 달의 공전 주기는 카론의 약 6.4일에 거의 정수배로 맞물려, 스틱스·닉스·케르베로스·히드라가 대략 3:4:5:6의 박자를 이룬다.

궤도만 놓고 보면 이 작은 달들은 놀랄 만큼 얌전하다. 넷은 명왕성-카론 짝을 중심으로 거의 원에 가까운 궤도를 나란히 돈다. 공전 주기는 스틱스가 약 20.2일, 닉스가 약 24.9일, 케르베로스가 약 32.2일, 히드라가 약 38.2일이다. 이 숫자들을 카론의 공전 주기인 약 6.4일로 나눠 보면 각각 3배, 4배, 5배, 6배에 가깝다. 다시 말해 네 달은 카론이 세 번 도는 동안 한 번, 네 번 도는 동안 한 번 하는 식으로, 카론이 두드리는 박자에 맞춰 궤도를 도는 것처럼 보인다. 태양계 안에서도 이렇게 깔끔한 정수비가 줄지어 나타나는 예는 흔치 않다.

쇼월터와 해밀턴은 여기서 한발 더 나아가, 스틱스·닉스·히드라 세 달이 하나의 삼체 공명으로 묶여 있다고 보고했다. 목성의 위성 이오·에우로파·가니메데를 잇는 라플라스 공명과 닮은 구조다. 다만 이 비율들은 정확히 딱 떨어지는 정수라기보다 그 언저리에 가깝게 놓인 값이라는 점은 짚어 둘 만하다. 자연이 자를 대고 그은 듯 완벽한 3:4:5:6은 아니고, 서로의 중력이 오랜 세월 밀고 당기며 대략 그 근처로 자리를 잡은 것이다. 그럼에도 이 정도의 질서가 유지된다는 사실 자체가, 이 작은 달들의 궤도가 얼마나 정교하게 짜여 있는지를 말해 준다.

4.왜 '혼돈 자전'일까 — 카론은 붙박이, 작은 달은 제멋대로

카론은 명왕성에 늘 같은 면만 보이며 조석으로 고정돼 있지만, 작은 달들은 자전축과 하루 길이가 예측 불가한 혼돈 자전을 한다. 2015년 쇼월터와 해밀턴이 이를 보고했다.

보통 위성은 자전과 공전의 박자가 하나로 맞아떨어진다. 우리 달이 그렇다. 달은 늘 같은 면만 지구에 보여 주는데, 이는 자전 한 번과 공전 한 번에 걸리는 시간이 똑같기 때문이다. 이렇게 자전이 붙들려 고정된 상태를 조석 고정이라 한다. 명왕성의 큰 위성 카론도 마찬가지다. 카론은 크고 둥글며 명왕성에 바짝 붙어 있어, 오래전에 자전이 완전히 고정됐다. 그래서 카론은 명왕성을 향해 늘 한 얼굴만 내민 채 약 6.4일에 한 번 얌전히 돈다. 여기까지는 태양계의 여느 위성과 다르지 않은 그림이다.

그런데 작은 달 넷은 이 규칙에서 벗어나 있다. 이들은 감자처럼 길쭉한 데다, 명왕성과 카론이라는 두 무거운 천체를 한꺼번에 돈다. 이 쌍성의 중력장은 자리마다 세기와 방향이 시시각각 달라진다. 길쭉한 달이 그 들쭉날쭉한 중력의 손아귀를 지날 때마다, 몸통의 이쪽저쪽이 다르게 잡아당겨지며 계속 다른 방향으로 비틀린다. 그 결과 자전 속도도, 자전축이 가리키는 방향도 일정하게 유지되지 못하고 마구 흔들린다. 쇼월터와 해밀턴은 2005년부터 2012년까지 쌓인 허블 관측의 밝기 변화를 분석해, 닉스와 히드라의 자전에서 고정된 주기를 찾을 수 없다는 사실을 확인했다. 이렇게 자전이 규칙을 잃고 예측 불가능해진 상태를 혼돈 자전이라 부른다. 관측된 것은 들쭉날쭉한 밝기 변화이고, 그것을 혼돈 자전으로 읽어 낸 것은 해석이라는 점은 갈라 둘 필요가 있다.

5.히드라의 어지러운 팽이질 — 89바퀴, 그리고 닉스의 일출

히드라는 명왕성계를 한 바퀴 도는 약 38일 동안 자기 몸을 약 89바퀴 돌린다 — 대략 열 시간에 한 바퀴꼴이다. 닉스는 자전이 뒤집혀, 그 위에서는 언제 해가 뜰지 알 수 없다.

혼돈 자전이 얼마나 극단적인지는 히드라에서 가장 잘 드러난다. 네 작은 달 가운데 가장 바깥을 도는 히드라는, 동시에 가장 빠른 팽이이기도 하다. 명왕성계를 한 바퀴 도는 데 약 38일이 걸리는데, 그동안 자기 몸은 약 89바퀴나 돌린다. 대략 열 시간마다 한 바퀴씩 도는 셈이니, 하루가 지구의 절반도 채 안 된다. 늘 같은 면만 보이며 얌전히 도는 조석 고정 위성만 보아 온 눈에는, 이렇게 팽팽 돌아 대는 위성이 어색하게 느껴질 정도다. 게다가 이 회전은 규칙적인 것도 아니어서, 언제 얼마만큼 돌지가 계속 어긋난다.

닉스는 또 다른 방식으로 어지럽다. 뉴호라이즌스 관측에 따르면 닉스는 자전축이 크게 기울어진 채 몸을 뒤채며 돈다. 방향까지 뒤집혀 있어서, 만약 닉스 표면에 서서 하늘을 올려다본다면 태양이 어느 날은 이쪽에서, 어느 날은 저쪽에서 떠오르고, 하루의 길이마저 그때그때 달라지는 광경을 보게 될 것이다. 물론 이는 관측된 자전 상태를 우리가 상상으로 옮겨 본 그림이지, 누가 그 하늘을 직접 목격한 것은 아니다. 그럼에도 이 상상은 혼돈 자전이라는 말의 뜻을 몸으로 느끼게 해 준다. 이 작은 달 위에서는, 지구에 사는 우리가 당연하게 여기는 '내일의 아침'이라는 개념 자체가 무너져 내리는 것이다.

궤도는 시계처럼 정확한데, 그 위에서 맞는 하루는 술 취한 팽이처럼 제멋대로다.

6.케르베로스의 반전 — '어두운 달' 예측을 뒤집은 뉴호라이즌스

발견 초기에는 케르베로스가 검은 물질로 덮인 어두운 달일 수 있다는 예측이 있었다. 그런데 2015년 뉴호라이즌스는 그것이 작고 밝은 이중엽 천체임을 밝혔다 — 어두웠던 게 아니라 작았던 것이다.

혼돈 자전을 정리한 쇼월터와 해밀턴의 연구에는 풀리지 않은 수수께끼가 하나 딸려 있었다. 닉스와 히드라는 카론처럼 밝게 빛나는데, 케르베로스만은 유독 어두워 보였다는 점이다. 이들은 케르베로스가 검은 물질로 덮인, 상대적으로 크고 무거운 달일지 모른다고 조심스레 내다봤다. 그렇다면 왜 한 식구만 낯빛이 검을까. 형제처럼 나란히 태어났을 달들이 이렇게 다른 표면을 갖게 된 사연은, 이 작은 위성계의 기원을 두고 새로운 물음을 던지는 대목이었다. 이 논문이 발표된 것이 2015년 6월, 뉴호라이즌스가 명왕성에 다다르기 바로 직전이었다.

답은 오래 기다릴 필요가 없었다. 2015년 7월 뉴호라이즌스가 명왕성계를 스쳐 지나며 케르베로스를 직접 겨눴고, 그 영상이 그해 10월 지구에 도착했다. 결과는 예측을 뒤집었다. 케르베로스는 검은 달이 아니었다. 가로로 가장 길어야 약 12km인 자그마한 천체였고, 마치 두 덩이가 맞붙은 듯한 이중엽 모양이었다. 표면은 어둡기는커녕 다른 작은 달들처럼 반사율이 절반쯤 되는, 깨끗한 물 얼음으로 밝게 빛나고 있었다. 그저 예상보다 훨씬 작아서 빛을 적게 되비쳤을 뿐이다. 지상의 관측만으로 세운 유력한 그림 하나가, 가까이 다가가 직접 본 관측 앞에서 조용히 고쳐졌다. 이것이 명왕성 탐사가 거듭 보여 준 방식이다. 멀리서 세운 해석은 늘 잠정적이고, 곁에 다가가 본 관측이 그것을 다듬는다.

7.예측할 수 없는 하늘 아래에서

명왕성의 네 작은 달은 기묘한 이중생활을 한다. 궤도라는 큰 틀에서는 카론이 두드리는 박자에 정확히 발을 맞추면서도, 정작 자기 몸을 돌리는 일에서는 어떤 규칙도 따르지 않는다. 질서와 혼돈이 한 천체 안에 겹쳐 있는 것이다. 우리는 이 광경을 60억 km 밖에서야 겨우 들여다봤고, 그마저도 흐릿한 점을 여러 해 노려보고 그 곁을 한 번 스쳐 지나서 얻은 그림이다. 태양계는 여전히, 우리가 당연하게 여기던 것들이 통하지 않는 자리를 이렇게 곳곳에 숨겨 두고 있다.

가만 생각하면 이 작은 달들의 하루는 우리 삶과 그리 멀지 않다. 우리도 큰 틀에서는 계절과 요일이라는 박자에 맞춰 살아가지만, 그 안에서 맞는 하루하루는 좀처럼 예측대로 흘러가지 않는다. 어떤 날은 유난히 길게 느껴지고 어떤 날은 순식간에 지나가며, 내일 아침 내 마음이 어느 쪽에서 밝아 올지는 오늘의 내가 다 알지 못한다. 그러니 모든 것이 계획대로 굴러가지 않는다고 너무 자책하지 않아도 좋겠다. 저 먼 얼음 세계의 작은 달들조차, 정확한 궤도 위에서 저마다 예측할 수 없는 하루를 구르며 40억 년을 버텨 왔다. 오늘 당신의 하루가 유난히 제멋대로였다면, 그건 당신이 이 우주의 문법을 제대로 살아 내고 있다는 뜻일지도 모른다.