태양에서 57억km 떨어진 태양계의 외곽에는 왜소행성인 명왕성이 있다. 호주보다 작은 명왕성은 평균 기온이 섭씨 영하 232도로, 산과 빙하, 분화구로 이루어진 얼음 세계이다. 왜소행성 또는 왜행성은 태양을 공전하는 태양계 내 천체의 일종으로 행성 조건은 충족하지 못하지만 소행성보다는 행성에 가까운 중간적 천체이다.

명왕성 주위에는 스틱스, 닉스, 케르베로스, 히드라, 카론 등 다섯 개의 위성이 돌고 있으며, 이중 카론이 가장 크다. 다른 대부분의 행성계와 달리 카론은 모체인 명왕성와 함께 '쌍성계'로 존재한다. 이는 두 행성이 모두 둘 사이의 공간 한 지점을 공전하는 것을 의미한다.

명왕성과 위성을 둘러싼 수수께끼는 여전히 많다. 그런 가운데 미국 사우스웨스트 연구소의 천문학자 실비아 프로토파파가 이끄는 연구팀이 카론 표면에서 이산화탄소와 과산화수소를 발견했다고 더컨버세이션이 전했다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 발표됐다.

나사(NASA)의 제임스 웹 우주 망원경이 포착한 데이터에 기반한 이 발견은 비행성 또는 행성계가 어떻게 형성되었는지에 대한 중요한 단서를 제공한다.

◆ 명왕성 최대 위성 카론

과학자들은 1978년 명왕성의 궤도를 연구하던 중 처음으로 카론을 발견했다. 카론은 명왕성의 작은 쌍둥이와 비슷하다. 명왕성의 약 절반 크기로, 폭이 1200km가 조금 넘는다. 따라서 태양계에서 모체(명왕성)와 비교해 (상대적으로) 가장 큰 것으로 알려진 위성이다.

명왕성 자체는 지구의 달보다 작다. 명왕성의 크기는 달의 약 3분의 2이고 질량은 6분의 1이다. 카론의 질량은 명왕성의 약 8분의 1이다.

카론과 명왕성은 특이한 궤도를 가지고 있다. 카론이 명왕성 주위를 도는(공전) 동안 명왕성도 중심점을 공전한다. 즉 한 지점을 중심으로 카론과 명왕성이 같이 도는 것이다. 그들은 거의 이중 왜성처럼 움직인다. 이는 달과 지구와는 관계와는 다르다. 달은 지구를 중심으로 돌고, 지구는 위치를 바꾸지 않고 태양을 중심으로만 공전한다. 이것이 명왕성이 행성으로 인정받지 않고 왜소행성으로 분류되는 이유 중 하나다.

◆ 카론의 구성

2015년, 나사의 뉴 호라이즌스는 발사된 지 9년이 지난 후 명왕성과 그 위성을 근접 탐사했다. 탐사 결과는 최대 위성 카론이 다양한 화학 물질로 구성되어 있음을 보여주었다.

카론은 얼음이 풍부한 매우 차가운 위성이다. 여기에는 암모니아와 다양한 탄소 기반 화합물도 포함되어 있다. 카론에는 지구의 화산처럼 마그마를 쏟아내는 대신 얼음이 분출되는 극저온 빙화산(cryovolcano)이 있는 것으로 여겨진다. 명왕성의 구성과는 다르다.

카론에서 이산화탄소와 과산화수소를 새로 발견한 것은 인접 해왕성 너머 천체에서 다양한 프로세스가 어떻게 상호 작용하는지에 대한 다양한 정보와 지식을 얻고 미래 가능성도 예상할 수 있다. 그중 이산화탄소는 우리가 이해해야 할 핵심 분자다. 천체의 역사에 대해 많은 것을 알려주기 때문이다.

카론의 경우 이산화탄소는 얼음 표면 아래에서 발생하며, 소행성 및 기타 물체가 카론과 충돌해 분화구를 만들면서 새로운 지하 표면을 노출시키는 것으로 알려져 있다.

◆ 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 큰 발견

천문학자들은 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 관측을 통해 카론에서 이산화탄소를 감지했다. 2021년에 작동을 시작한 이 우주 망원경은 폭 6.5m의 대형 거울을 장착해 매우 강력하고 민감하다.

제임스 웹은 사람의 눈이나 지구상에 설치된 대부분의 망원경이 감지할 수 없는 빛의 색상인 적외선을 볼 수 있다. 적외선은 행성에서 별, 은하계 등 다른 천체에 존재하는 다양한 분자를 찾는 데 중요한 빛이다.

이런 화합물을 찾기 위해 망원경은 분광법이라는 기술을 사용한다. 빛은 프리즘을 통과할 경우 무지개같이 나뉘는 것처럼, 빛의 파장에 따라 여러 색상으로 분해된다. 합물의 각 원소나 분자 역시 고유한 색상 특징을 가지고 있다. 분광법을 통해 그 색상을 찾아내고 원소의 종류를 판별한다. 분광법을 이용한 새로운 관찰을 통해 카론에서 지금까지 알려진 것과 달리 물, 얼음과 함께 이산화탄소와 과산화수소의 특징이 나타난 것이다.

◆ 고대 수수께끼에 대한 중요한 단서

카론의 형성은 과학계에서는 미스터리다. 가장 유력한 이론 중 하나는 달과 비슷한 방식으로 형성되었다는 것이다. 이 이론에 따르면 약 45억 년 전, 명왕성과 카론이 위치한 카이퍼 벨트에서 큰 물체가 명왕성과 충돌했고, 명왕성의 일부가 떨어져 나가 카론이 형성되었다.

또 명왕성과 충돌한 물체가 카론이었으며, 이들이 서로를 공전하는 궤도에 묶였을 가능성도 있다.

카론의 화학적 구성을 이해하면 카론이 어떻게 형성되었는지에 대한 이해를 높일 수 있다. 그런 의미에서 카론에서 이산화탄소와 과산화수소의 발견은 중요한 진전이다. 카론뿐만 아니라 명왕성 근처의 다른 천체에 대한 단서를 제공할 수도 있다.

카론에 대한 더욱 풍부한 정보들이 태양계의 먼 부분에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것이라는 기대다.