소행성대 : 화성과 목성 사이에 무슨 일이 있었나?

소행성대(asteroid belt)는 화성과 목성의 궤도 사이에 위치한 토러스 모양의 지역입니다. 이 지역은 태양계 소행성의 대부분을 차지하고 있으며 내부 암석 행성들과 외부 가스 행성들 사이의 경계를 표시하고 있습니다. 다만, 관측 기술의 발달로 다른 곳에서도 많은 소천체가 발견되면서 다른 소행성 집중 지역에 대해 소행성대라고 부르게 될지도 모른다고 생각하게 된 이후부터는 구분을 위해 화성과 목성 사이의 소행성대를 메인 벨트(Main belt)로 부르기도 합니다. 카이퍼 대와 구별하기 위해도 소행성대라고 부릅니다. 주요 허리띠는 세레스(Ceres), 베스타(Vesta), 팔라스(Pallas), 그리고 히기에이아(Hygiea) 등 네 개의 큰 소행성과 수십~수백만 개의 작은 소행성으로 구성되어 있습니다. 

소행성대의 기원

소행성대의 존재는 19세기 중반까지 알려지지 않았지만, 화성과 목성 사이의 지역은 훨씬 전에 천문학자들의 관심을 끌었습니다. 많은 천문학자들이 동의하는 일반적인 이론에 따르면, 행성은 태양계 역사의 첫 100만 년 동안 소행성들이 쌓여 형성된 것으로 알려져 있습니다. 미행성들은 수차례의 충돌을 통해 우리에게 익숙한 암석질 행성(지구형 행성)과 거대 가스 행성(목성형 행성), 거대 얼음 행성(천왕성형 행성)의 핵이 된 것으로 추정됩니다. 또한, 행성이라는 크기의 천체까지 성장하면 일반적으로 중력이 충분히 강해져 트로야 그룹과 같은 예의를 제외하고는 다른 소천체를 중력에 의해 제거해 버립니다.

독일 천문학자들은 1766년 태양계의 중심에서 바깥쪽을 뻗어나가면, 각 행성은 태양으로부터 그 이전의 행성에 비해 대략 두 배 정도 멀어져야 합니다. 이 가설은 현재의 티티우스-보드의 법칙에 따르면, 화성과 목성의 궤도 사이에 아직 발견되지 않는 행성이 있다고 합니다. 

 

현재 소행성대라고 불리는 이 구역에서는 목성의 강한 중력에 의해 행성으로 성장하는 마지막 단계가 막혀 소행성들이 하나의 행성을 형성하지 못하고 그대로 태양 주위를 계속 돌았다고 합니다.

이때문에 소행성대는 원시 태양계의 잔재라고 보는 시각도 있었지만, 소행성대를 구성하는 소행성 자체가 원시적인 상태를 유지하고 있는 것은 아니라는 견해가 지배적입니다. 많은 관측 결과와 궤도 계산 등을 통해 소행성대에는 활발한 변화가 일어나고 있는 것으로 여겨지고 있기 때문입니다. 여기에 더해 목성의 중력 등의 영향으로 공전궤도가 변화하여 이 소행성대의 궤도에서 크게 벗어난 것으로 추정되는 소행성도 다수 발견되고 있습니다.

이러한 메인벨트의 소행성들에 비해 에지워스 카이퍼 벨트 등에 속한 태양계 외곽 천체들은 태양계 형성 이후 거의 변화가 일어나지 않았을 것으로 생각됩니다.

 

독일 천문학자들은 큰 국제 프로젝트를 조직하고 사라진 행성을 찾는 것을 목표로 했지만, 그것들은 1801년에 세레스를 발견한 이탈리아 천문학자들보다 앞섰습니다. 세레스는 티티우스-보데 법칙에 의해 예측된 정확한 거리에 위치해 있었습니다. 물론 세레스는 처음에 사라진 행성으로 여겨졌습니다만, 곧 같은 지역에서 다른 물체들이 발견되어 1802년 팔라스를 발견하고, 그 후 1804년 주노를 관찰하고, 1807년 베스타를 관찰함으로써 두 번째 발견을 했습니다. 

 

소행성대 형성 과정

천문학자들은 소행성대가 큰 행성이 파괴된 후에 형성되었고 그 가상의 행성이 페이턴이라는 명칭이 붙였고, "파괴된 행성 가설"은 많은 천문학자들의 지지를 받았고 20세기 말까지 영향력을 유지했습니다.  현대 연구에 따르면 소행성대는 형성되지 않은 행성일 가능성이 높습니다. 약 46억 년 전, 태양계의 초기에, 작은 우주 먼지와 암석 덩어리가 강착 과정을 통해 형성되었고, 몇몇 미행성들은 오늘날 우리가 알고 있는 행성이 되었습니다. 하지만, 화성과 목성 사이의 지역에서 목성에서 오는 중력의 영향으로 미행성이 행성으로 강착되지 않았고, 그 천체는 충돌하고 산산조각이 나서 그 결과로 수백만 개의 소행성대를 형성하게 되었습니다. 

소행성대 환경

창작물 등에서는 마치 토성의 고리처럼 우주 공간에 암석이 빽빽하게 밀집되어 있는 이미지로 그려진 사례도 있지만, 실제 소행성대는 대부분 빈 공간입니다. 그래서 우주탐사선이 소행성대를 횡단했을 때에도 지금까지 단 한 번도 심각한 충돌사고를 일으킨 사례가 없습니다. 만약 실제로 우주탐사선 크기의 물체가 소행성과 랑데뷰하려면 정밀한 궤도 계산과 타겟팅이 필요합니다. 그럼에도 불구하고 현재 소행성대에는 수십만 개의 소행성이 발견되고 있으며, 그 총수는 수백만 개에 달할 것으로 추정됩니다. 그 외에도 1개의 준행성과 역행 소행성, 여러 개의 메인 벨트 혜성과 혜성 -소행성 전이 천체도 발견됐습니다. 

소행성대에 존재하는 천체 중 약 220개는 직경이 100㎞가 넘습니다. 이 중 가장 큰 천체는 소행성 1번 케레스이며, 지름이 약 1000㎞에 달합니다. 소행성대 내 전체 질량은 2.3×1021㎏으로 추정되며, 이는 지구 달의 35분의 1에 해당합니다. 그리고 그 질량 총량의 3분의 1은 케레스가 차지하고 있습니다. 또한 소행성 번호 10번까지의 천체로 총질량의 약 절반을 차지합니다. 소행성대에 존재하는 소행성의 수가 많다는 것은 매우 활발한 환경 형성에 도움이 되며, 이 때문에 소행성 간 충돌이 빈번하게 발생합니다. 소행성 간 충돌은 소행성을 수많은 작은 조각으로 만들어 새로운 소행성 '족'을 형성하거나, 상대속도가 낮을 경우 두 소행성을 결합시킬 수도 있습니다. 이처럼 소행성대의 소행성들은 점차 변화해 왔고, 앞으로도 계속 변화할 것입니다. 

 

태양계 밖의 소행성대

태양 이외의 항성 주변에도 먼지나 우주 파편으로 구성된 것으로 추정되는 벨트가 발견되고 있습니다. 이 벨트의 궤도 반경은 촬영한 이미지에서 직접 측정하거나 벨트의 온도에서 계산합니다.