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성간천체 3I/애틀라스(3I/ATLAS)가 7월1일 관측돼 큰 주목을 받았다. 1I/오우무아무아와 2I/보리소프에 이어 세번째로 관측된 태양계를 지나가는 성간천체였다. 관측 당시 전세담보대출한도 3I/애틀라스는 태양에 점점 가까이 다가가고 있는 중이고, 태양에 가장 가까운 근일점에 도달하는 때는 10월29일이다. 근일점 거리는 1.356AU(1AU=지구~태양 거리)로, 화성 궤도와 비슷한 거리다. 이때 속도는 초속 68.3km로 최대가 된다.[1]
상당히 빠른 속도로 태양계 내부를 지나가지만, 태양계 행성과 충돌하는 등의 사건은 빌라매매대출 벌어지지 않는다. 성간천체는 어떤 별의 중력에도 붙잡히지 않고 은하 공간을 자유롭게 이동하는 천체다. 어느 별을 기준으로 보아도 성간천체의 속도는 그 별의 중력 탈출속도보다 크다. 3I/애틀라스가 근일점을 지나가는 속도는 이 위치에서의 태양중력 탈출속도인 초속 36.2km를 크게 웃돈다. 3I/애틀라스가 태양계에서 충분히 멀어져서 태양 중력이 거의 미치지 갤럭시탭거치 않는 성간 공간에 도달하면 태양에서 멀어지는 속도는 초속 58.0km까지 느려진다.
지금까지 태양계 내부까지 다가와 관측된 성간천체는 소행성이나 혜성 크기의 작은 천체였다. 성간천체에는 작은 크기의 천체만 있는 것은 아니다. 훨씬 큰, 행성 크기의 성간천체도 있다. 이러한 행성급 질량의 성간천체를 ‘떠돌이 행성’(rogue planet)이 개인사업자대출서류 라고 부른다.
떠돌이 행성은 중력으로 빛이 휘어서 생기는 중력렌즈 효과를 이용하는 마이크로렌징 기술이라는 간접 관측방법으로 존재를 확인한다.[2] 우리 은하에는 떠돌이 행성이 별만큼 많거나 그 이상일 가능성도 있다. 작은 천체들을 포함한 전체 성간천체의 수는 별보다 훨씬 더 많다.


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그림 2. 떠돌이 행성이 존재할 수 있는 후보 위치. 직접 관측하기 어려운 떠돌이 행성은 중력렌즈 효과를 이용한 마이크로렌징 기술을 이용해 간접적으로 관측한다. 사진출처:European Southern Observatory


성간천체는 어떻게 만들어질까?
성간천체는 독립적으로 만들어졌을 수도 있고, 항성계에서 형성된 뒤 밖으로 벗어났을 수도 있다. 초기 항성계에서는 행성이 아직 안정적인 궤도에 자리잡지 못해 중력 상호작용이 빈번하다. 서로 다른 궤도를 도는 두 천체가 접근했다가 멀어지는 과정에서 중력 상호작용으로 궤도가 변할 수 있다. 이 과정에서 천체의 속도가 별의 중력 탈출속도를 넘으면 항성계를 벗어나 성간천체가 된다. 이는 파이어니어 10호와 11호, 보이저 1호와 2호 탐사선이 로켓추진 없이 행성 근처를 지나가는 중력도움(gravity assist) 항법으로 속도를 높여 태양계를 벗어난 원리와 같다.



별이 생애 마지막 단계에 이르러서도 성간천체가 만들어질 수 있다. 초신성 폭발(supernova)이 일어나면 별을 구성하고 있던 많은 물질들이 가스와 플라스마 상태로 성간 공간으로 매우 빠른 속도로 퍼져 나간다. 폭발 전에 행성, 소행성, 혜성과 같은 다른 천체들이 별 주위를 공전하고 있었다면, 폭발의 결과로 이 천체들은 성간 공간으로 밀려나 성간천체가 될 수 있다. 태양 크기의 별은 초신성 폭발 없이 백색왜성이 되는데, 질량이 줄어들면서 중력이 약해져 주변 천체들이 성간 공간으로 흩어질 수 있다.
우주에는 태양계처럼 별 하나만 있는 경우보다, 두 개 이상의 별과 그 주위를 도는 행성이나 소행성과 같은 부속 천체들이 서로 중력으로 얽히면, 궤도는 예측하기 어려운 복잡한 움직임을 보인다. 이를 삼체문제(three-body problem) 또는 다체문제(many-body problem)라고 부른다.
특히 두 별이 가까워질 때, 부속 천체는 두 별의 중력 영향으로 궤도가 불안정해진다. 이 과정에서 부속 천체의 속도가 별의 중력 탈출속도보다 커지면 항성계의 중력에서 벗어난다.



그림 3. 왼쪽: 성간천체가 별이 만들어지지 않고 독립적으로 만들어질 수 있다. 오른쪽:항성계에서 공전하다가 다른 행성에 다가가서 속도를 얻어 별의 중력에서 벗어날 수 있다. 별이 2개 이상인 항성계의 복잡한 움직임 속에서 천체가 항성계 밖으로 튕겨져 나갈 수도 있다.


성간천체가 지구와 부딪치면?
성간천체가 지구에 가장 큰 위협이 되는 상황은 충돌할 때다. 태양 근처를 지나가는 성간천체는 태양을 초점으로 쌍곡선 모양의 궤도로 다가왔다가 멀어진다. 성간천체가 지구와 충돌하려면 두 가지 조건이 동시에 만족되어야 한다. 성간천체의 쌍곡선 궤도가 지구의 공전궤도에 닿거나 가로질러야 하며, 그 궤도를 지나는 순간 지구가 같은 위치에 있어야 한다.
지금까지 관측된 성간천체는 첫 번째 조건조차 충족하지 못했다. 두 조건을 모두 충족할 확률은 매우 낮다. 그런 낮은 확률을 뚫고 충돌이 일어난다면 파괴력이 얼마나 될까?
성간천체가 지구 공전궤도를 지나가는 최소 속도는 초속 42.1km다. 태양 중력 탈출속도에 해당하는 속도이다. 태양중력 탈출속도로 태양계를 지나가는 성간천체가 태양의 중력이 거의 미치지 않는 성간 공간에 이르면 태양에서 본 성간천체의 속도는 거의 0이다. 더 빠른 속도로 별 사이를 누비는 성간천체는 더 빠른 속도로 태양계를 지나간다. 성간 공간에서 초속 20km로 날아온 성간천체는 초속 46.6km로 지구 공전궤도를 지나고, 성간 공간에서 초속 50km로 날아온 성간천체는 초속 65.4km로 지구 공전궤도를 지난다.[3]
성간천체가 지구와 부딪칠 경우의 충돌속도는 성간천체가 어떻게 지구에 다가오는가에 따라 다르다. 충돌 직전에 성간천체가 지구와 같은 방향으로 움직이면, 성간천체는 지구를 뒤따라 오다가 부딪친다. 이 경우 충돌속도는 초속 16.7km 이상이다. 이는 뒤에서 추돌하는 교통사고와 비슷하다. 성간 공간에서 태양계에 진입하는 속도가 클수록 충돌속도는 더 크다. 성간 공간에서 초속 50km의 속도로 다가오는 성간천체가 지구를 뒤따라오다가 부딪치면 충돌속도는 초속 37.3km다.
성간천체가 지구 공전방향과 반대로 움직이다가 부딪치면, 성간천체는 지구와 정면으로 날아오다 부딪치면서 충돌속도가 최대가 된다. 이는 역주행 차량과 정면으로 충돌하는 상황에 비유할 수 있다. 이 경우 성간천체의 충돌속도는 초속 72.8km 이상이다. 성간 공간에서 초속 50km의 속도로 날아오는 성간천체가 지구와 부딪치는 경우, 충돌속도는 초속 95.8km에 이른다.
이번에 발견된 3I/아틀라스처럼 성간 공간에서 초속 58km로 날아오는 성간천체가 지구와 부딪치는 것을 가정해 보자. 이 성간천체가 지구의 공전궤도를 지나가는 속도는 초속 71.7km다. 이 속도로 지구를 뒤따라오는 순행궤도로 날아와 지구와 부딪치면 충돌속도는 초속 43.4km이고, 지구가 공전하는 방향과 반대로 움직이는 역행궤도로 날아와 지구와 부딪치면 충돌속도는 초속 102km다.
6600만년 전 공룡을 멸종시킨 소행성의 충돌속도보다 2-5배 또는 그 이상 큰 속도이다. 운동에너지로 계산하는 충돌에너지는 충돌속도의 제곱에 비례해서 커지므로, 공룡을 멸종시킨 천체와 같은 질량의 성간천체가 부딪친다면, 충돌에너지의 크기는 4~25배 더 크다.[4]
성간천체가 떠돌이 행성이라면, 충돌 파괴력은 엄청나다. 충돌 에너지가 천체의 질량에 비례하기 때문이다. 떠돌이 행성의 질량이 지구 질량과 비슷하다면 공룡을 멸종시킨 충돌을 유발한 소행성의 질량보다 수십억배 크다. 떠돌이 행성의 충돌속도가 2~5배 더 큰 것을 감안하면, 떠돌이 행성이 지구와 부딪치는 경우의 충돌 에너지는 공룡을 멸종시킨 소행성의 충돌에너지보다 수백억배 더 클 수 있다. 이런 충돌의 결과는 지구 형태 자체를 변화시키는 수준 이상이다. 생명체가 살아남기는 사실상 불가능하다.



그림 4. 성간천체가 지구와 부딪치는 경우 최대 충돌속도와 최소 충돌속도. 성간천체가 공전하는 지구 뒤를 따라오다가 부딪치면 충돌속도가 최소이고, 공전하는 방향과 반대로 날아와 정면으로 부딪치면 충돌속도가 최대이다. 속도가 느린 성간천체의 궤도(파란색)가 빠른 성간천체의 궤도(보라색)보다 더 많이 휜다. 느리게 지나갈수록 오랫동안 중력의 영향을 받기 때문이다. V∞는 태양에서 매우 멀리 떨어진 성간 공간에서의 속도이다.


성간천체가 지구 근처를 지나가면
성간천체가 지구와 직접 충돌하지 않는다고 해서 안심할 수 있을까? 질량이 지구보다 훨씬 작은 성간천체라면 지구 공전궤도에는 거의 영향을 주지 않고, 오히려 성간천체의 궤도가 지구 중력에 의해 변한다. 작은 성간천체와 지구 사이에는 같은 크기의 중력이 작용하지만, 힘을 질량으로 나눈 값인 가속도는 작은 천체가 더 크다. 그만큼 작은 천체의 궤도는 지구의 궤도보다 더 많이 변한다. 공룡을 멸종시킨 소행성 질량의 성간천체가 지구 근처를 지나가면 성간천체의 궤도는 많이 변하지만, 지구의 공전궤도는 사실상 변하지 않는다.
행성급 질량의 성간천체인 떠돌이 행성이 지구 근처를 지나가면 상황이 달라진다. 천체의 질량에 비례해서 중력이 커지기 때문에, 떠돌이 행성과 지구 사이의 중력도 훨씬 크다. 중력이 훨씬 더 커지는 만큼 지구의 공전궤도가 변할 수 있다. 이 경우에도 중력을 질량으로 나눈 가속도는 천체의 질량에 반비례한다. 떠돌이 행성의 질량이 클수록 중력은 커지고 지구의 질량은 상대적으로 작기 때문에, 지구가 겪는 가속도는 커진다. 그만큼 지구의 공전궤도는 많이 변한다. 떠돌이 행성급의 성간천체는 지구와 충돌하지 않고 지구 근처를 지나가는 것만으로 지구의 공전궤도를 변하게 만들어 지구에 영향을 끼칠 수 있는 것이다.
지구의 공전궤도가 어떻게 변하는지는 떠돌이 행성이 지구에 어떻게 다가와서 멀어지는지에 따라 달라진다. 경우에 따라 지구의 공전궤도가 더 작게 변할 수도, 더 크게 변할 수도 있다. 궤도가 작아지면 지구는 태양에 가까워지고 그만큼 더 많은 태양 에너지를 받아서 지구의 기온이 상승한다. 반대로 궤도가 커지면 태양에서 멀어지고 그만큼 태양 에너지를 적게 받아서 지구의 기온이 하강한다. 공전궤도가 긴 타원 궤도로 변하면 평균거리가 같더라도 근일점·원일점 차이가 커져 계절별 온도 차이가 극심해질 수 있다. 어떤 경우에도 지구 표면 온도가 변하는 것을 피할 수 없고, 지구 생태계에 큰 변화가 일어난다.
생명이 살기 힘든 환경으로 변할 수 있다. 더 극단적인 사례는 떠돌이 행성이 지구를 태양계에서 튕겨내는 경우다. 지구는 성간천체가 되고 태양에너지를 거의 받지 못한다. 이 경우에 지구는 절대온도 0도에 근접하는 수준으로 차가워지기 때문에, 생태계를 유지할 수 없다.
떠돌이 행성이 충돌하지 않고 지구 가까이 지나가는 경우에는 떠돌이 행성이 지구에 다가오는 거리와 지나가는 속도가 핵심 변수이다. 더 가까이 다가올수록 중력이 더 커져서 지구의 공전궤도가 더 많이 변한다. 같은 거리로 다가온다면, 떠돌이 행성이 느릴수록 지구의 공전궤도는 더 많이 변한다. 느리게 지나가면 더 오랫동안 떠돌이 행성의 중력이 영향을 끼치기 때문이다. 반면, 빠르게 지나가면 짧은 시간 동안만 영향을 끼치면서 지구의 공전궤도가 적게 변한다. 지구와 충돌하는 경우에는 떠돌이 행성이 다가오는 속도가 클수록 파괴력이 증가하지만, 가까이 스쳐 지나갈 때는 떠돌이 행성이 느리게 지나갈수록 지구의 공전궤도가 더 많이 변하기 때문에 지구에는 더 큰 위협이 된다.



그림 5. 성간천체와 지구가 가까이 접근할 때 작용하는 중력 효과. 가속도는 힘을 질량으로 나눈 값이기 때문에, 질량이 작은 천체가 더 많이 가속된다. 그 결과로 질량이 작은 천체의 궤도가 더 많이 변한다. 작은 성간천체가 지구에 가까이 지나가면 지구의 궤도는 거의 변하지 않지만, 큰 떠돌이 행성이 지구에 가까이 지나가면 지구의 궤도는 많이 변할 수 있다. 천체 사진 및 그림 출처: NASA, Wikimedia Commons


지구에서 먼 곳을 지나가도 위험할까?
성간천체가 지구와 충돌하거나 지구에 가까이 다가오는 경우가 아니더라도 지구에 위협이 될 수 있다. 소행성이나 혜성 크기의 작은 성간천체들은 충돌하지 않는 한 태양계 천체의 궤도에 거의 영향을 주지 않는다. 그러나 행성 질량의 떠돌이 행성은 강한 중력으로 인해 접근만 해도 주변 행성이나 소행성의 궤도가 변하게 할 수 있다. 예를 들어 떠돌이 행성으로 인해 금성이나 화성의 공전궤도가 변하면 장기적으로 지구 궤도에도 영향을 줄 수 있다. 목성이 공전궤도가 변해 소행성대에 진입하면, 목성 중력의 영향으로 소행성의 궤도가 변해 지구로 향할 수 있다.
성간천체가 소행성대나 카이퍼대, 또는 오르트 구름을 지나가는 경우, 질량이 작은 소형 성간천체는 이들 영역의 소행성이나 혜성의 궤도에 거의 영향을 끼치지 않는 반면에, 떠돌이 행성은 상대적으로 강한 중력으로 소행성이나 혜성의 궤도를 변하게 할 수 있다. 그 중에서 소형 천체가 더 밀집해 있는 소행성대를 지나가는 경우, 소행성의 궤도가 변할 확률이 상대적으로 높다. 소행성대의 소행성이 궤도가 변해 지구로 향해 지구에 충돌한다면 충돌속도는 초속 12.3km 이상이다.
해왕성 공전궤도 바깥에 위치하는 카이퍼대의 경우는 소행성대와 비교해 소형 천체가 덜 밀집해 있다. 그만큼 떠돌이 행성이 카이퍼대 소형 천체의 궤도를 변하게 할 확률도 낮다. 하지만 낮은 확률을 뚫고 궤도가 변해 지구로 향해 지구와 충돌하는 소형 천체가 있다면, 충돌속도는 소행성대에서 온 소행성이 충돌하는 속도보다 더 큰 속도로 충돌할 확률이 크다.
충돌 속도는 초속 16.2km 이상이다. 오르트 구름에 분포하는 혜성의 밀도는 훨씬 낮아서, 떠돌이 행성이 오르트 구름 혜성의 궤도를 변하게 할 확률도 매우 낮다. 하지만 오르트 구름에서 온 혜성이 지구와 충돌한다면 충돌속도는 초속 16.7km 이상이다. 오르트 구름의 혜성은 소행성대나 카이퍼대의 천체와는 달리 날아오는 방향이 무작위이다. 지구가 공전하는 방향과 정반대방향으로 날아올 수 있다. 이렇게 날아와 지구와 부딪치는 경우 충돌 속도는 초속 72.8km에 이른다.
성간천체와 지나가는 별, 무엇이 더 위험할까?
성간천체가 태양계를 지나가는 것과 별이 태양계를 지나가는 것 중에 무엇이 지구에 위협일까? 별과 성간천체 사이의 가장 큰 차이점은 질량이다. 소행성이나 혜성 크기의 소형 성간천체의 질량은 별과 비교할 수 없을 정도로 매우 작다. 지구와 충돌하지 않는다면, 질량이 매우 작은 소형 성간천체의 중력은 지구에 위협이 될 만한 영향을 끼치지 않는다. 지구에 영향을 주려면 행성급 질량의 성간천체인 떠돌이 행성 정도는 되어야 한다.
큰 떠돌이 행성이라면 태양계에서 가장 큰 행성인 목성만큼 클 수 있다. 이런 떠돌이 행성의 질량은 태양 질량의 1000분의 1 정도다. 태양계를 지나가는 별은 태양과 비슷한 크기의 별일 수도 있지만, 더 작은 질량의 별인 적색왜성일 수도 있다. 우리은하의 별 중 약 70~80%가 적색왜성이기 때문에, 태양계 근처를 지나갈 별이 있다면 그중 상당수가 적색왜성일 가능성이 높다. 7만~8만년 전에 태양계에 가까이 다가왔던 ‘숄츠의 별’과 같은 작은 적색왜성을 기준으로 보면, 목성 크기의 떠돌이 행성 질량은 별 질량의 100분의 1 정도이다. 매우 큰 떠돌이 행성이라고 해도, 별 질량의 100분의 1에서 1000분의 1 정도다. 지구 질량의 떠돌이 행성이라면 3만분의 1~3십만분의 1 정도에 불과하다. 같은 거리로 다가왔을 때 중력의 크기도 그만큼 작다.
중력은 거리의 제곱에 반비례하므로, 별 질량의 100분의 1도 안 되는 떠돌이 행성이 별이 만드는 중력과 같은 크기의 중력을 만들려면 10분의 1도 안되는 거리로 매우 가까이 지구에 다가가야 한다. 하지만 무작위로 쏜 화살을 작은 과녁에 맞추기 어려운 것처럼, 떠돌이 행성이 지구에 가까이 다가가는 것도 어렵다. 따라서 한 번 지나가는 것을 기준으로 지나가는 별이 지구의 공전궤도를 변하게 하는 것보다 떠돌이 행성이 지구의 공전궤도를 변하게 하는 것이 훨씬 더 어렵다. 만약 우리 은하에 떠돌이 행성이 별보다 많다면, 떠돌이 행성이 태양계를 훨씬 자주 지나가면서 태양계 천체의 궤도에 영향을 줄 수 있는 기회가 늘어난다. 하지만 떠돌이 행성의 수가 별의 수를 압도해야 지나가는 별만큼 영향을 끼칠 수 있다.
주.
[1] “Comet 3I/ATLAS”, NASA, https://science.nasa.gov/solar-system/comets/3i-atlas/
JPL/NASA의 Horizons System에서 3I/ATLAS를 검색한 결과.
[2] “A Terrestrial-mass Rogue Planet Candidate Detected in the Shortest-timescale Microlensing
Event”, P. Mróz, et al. The Astrophysical Journal Letters 903, L11 (2020).
[3] 궤도역학의 쌍곡선 궤도를 이용해 직접 계산
[4] “A steeply-inclined trajectory for the Chicxulub impact”, G.S. Collins, et al.
Nature Comm. 11, 1480 (2020).
윤복원