힐스구름 : 오르트 구름 안쪽의 밀도가 높은 가설상의 별주위 원반

힐스구름(hills cloud, Inner Oort cloud) 또는 내부 오르트 구름이라고 불리고, 오르트 구름의 안쪽에 있는 것으로 추정되는 이론상의 성운입니다. 제안자인 잭 G. 힐스의 이름을 따서 힐스 클라우드라고 불립니다. 원반의 바깥쪽 가장자리는 태양으로부터 20,000~30,000 au 부근, 안쪽 가장자리는 명확하지는 않지만 행성이나 에지워스 카이퍼벨트 천체의 궤도를 훨씬 넘어선 250~1500au 부근으로 추정되지만 더 멀리 있을 가능성도 있습니다. 

힐스 구름 가설은 오르트 구름 가설의 모순을 설명하기 위해 제안되었습니다. 오르트 구름에 있는 혜성들은 은하수 은하와 태양계 인근 항성 등의 중력적 영향을 받아 끊임없이 섭동하고 있습니다. 따라서 무시할 수 없을 정도로 많은 수의 혜성이 태양계를 이탈하거나 내부 태양계로 들어가 증발하거나 태양이나 목성형 행성에 떨어지고 있어, 태양계 탄생 당시 생성된 오르트 구름은 오래전에 고갈되었을 것입니다. 그러나 지금도 충분한 수의 혜성이 오르트 구름에 존재한다고 알려져 있어, 어딘가에 혜성의 공급원이 있어야 합니다. 

 

힐스 구름 가설에서는 이 오르트 구름의 지속성 문제를 해결하기 위해 더 많은 천체가 존재하는 '내부 오르트 구름'의 존재를 가정하고 있습니다. 내부 오르트 구름에서 방출된 천체가 오르트 구름 영역에 도달함으로써 오르트 구름이 유지됩니다. 내부  오르트 구름에는 태양계 내에서 가장 많은 혜성이 집중되어 있는 것으로 알려져 있으며, 만약 정말로 내부 오르트 구름이 존재한다면 오르트 구름의 약 5배에 달하는 수의 혜성이 존재할 것으로 추정됩니다. 

 

최근 혜성, 소행성 등 내부 오르트 구름에서 유래한 것으로 추정되는 후보 천체들이 여려 개 발견되어 내부 오르트 구름의 존재를 뒷받침하고 있습니다. 만약 내부 오르트 구름이 실제로 존재한다면, 그 밀도는 오르트 구름보다 더 높아야 합니다. 태양계 인근 항성의 중력 상호작용과 은하수 은하의 조석 작용의 영향을 받아 오르트 구름의 혜성은 원궤도를 그리지만, 내부 오르트 구름의 혜성은 그렇지 않을 수 있습니다. 내부 오르트 구름의 총 질량은 알 수 없지만, 일부 연구자들은 외부 오르트 구름의 질량보다 몇 배나 더 많을 것으로 추정됩니다.

 

발견의 역사

1932년부터 1981년까지 천문학자들은 에지워스 카이퍼 벨트와 에른스트 에픽과 얀 오르트가 제안안 오르트 구름이 태양계 혜성의 유일한 저장소라고 믿었습니다. 

1932년 에스토니아 천문학자 에른스트 에픽은 혜성이 태양계 외곽을 공전하는 구름에서 유래 했다는 가설을 세웠고, 1950년 네덜란드 천문학자 얀 오르트는 에픽과는 독립적으로 이 아이디어를 제시했습니다. 또한 "혜성은 태양계 내부를 몇 번 통과한 후 파괴되기 때문에 태양계가 시작된 이래 수십억 년 동안 존재했더라도 지금은 더 이상 관측할 수 없을 것"이라는 명백한 모순도 설명했습니다.

 

오르트는 1850년부터 1952년 사이에 가장 많이 관측된 46개의 혜성을 연구 대상으로 삼았습니다. 궤도 길이 반경의 역수 분포는 태양으로부터 40,000 ~ 15,000au의 거리에 혜성의 저수층이 존재한다는 것을 암시하는 최대 빈도를 보였습니다. 이 저수층은 태양의 작용권 한계에 위치하며, 항성의 교란을 받아 구름 혜성은 밖으로 쫓겨나거나 반대로 안쪽으로 밀려날 수 있습니다. 

 

새로운 모델

1980년대에 오르트 구름에는 태양으로부터 약 3,000au에서 시작하여 20,000au의 고전적 구름까지 이어지는 내부 구간이 있을 가능성이 제시되었습니다. 내부 오르트 구름의 천체 수는 약 20조 개로 추정하는 경우가 많지만, 이보다 10배 이상 많을 가능성도 있습니다.

 

내부 오르트 구름의 주요 모델은 1981년 이 영역의 이름을 딴 로스알라모스 연구소의 천문학자 잭 G. 힐스에 의해 제시되었습니다. 그는 태양계 근처 별의 통과가 '혜성의 비'를 일으켜 지구에 대량 멸종을 가져왔을 가능성을 계산했습니다. 

힐스의 연구에 따르면, 대부분의 장주기 혜성의 궤도는 10,000au의 궤도 길이 반경을 가지며, 오르트 구름의 거리로 제안된 것보다 훨씬 더 태양에 가깝다고 발표했습니다. 또한, 주변 별과 은하 조류의 영향을 받아 오르트 구름의 혜성은 태양에 가까워지거나 태양계 밖으로 보내져야 합니다. 힐스는 이러한 문제를 해결하기 위해 외부 후광의 수십 배에서 수백 배의 혜성핵을 가진 내부 구름의 존재를 주장하였습니다. 이는 희박한 외부 구름에 새로운 혜성 공급원이 될 수 있을 것으로 추정했습니다. 

 

구조와 구성

오르트 구름의 혜성들은 주변 환경과 먼 천체의 영향을 끊임없이 받아 상당수의 혜성들이 태양계를 이탈하거나 태양에 크게 접근합니다. 따라서 오르트 구름은 이미 오래 전에 붕되되었어야 하지만, 아직도 그래도 남아있습니다. 내부 오르트 구름의 존재가 그 설명이 될 수 있습니다. 

 

내부 오르트 구름의 질량은 밝혀지지 않았습니다. 일부 연구자들은 오르트 구름의 5배에 달하는 질량을 가진 것으로 보고 있습니다. 마크 E. 베일리는 천체의 대부분의 10,000au에 위치한 경우, 내부 오르트 구름의 질량은 약 13.8 지구 질량으로 추정하고 있습니다. 

 

오르트 구름 계열의 혜성과 목성계 혜성의 탄소 분석과 질소 동위원소 비율을 조사한 결과, 두 혜성은 분명히 멀리 떨어져 있음에도 불구하고 거의 차이가 없는 것으로 나타났습니다. 이는 두 혜성 모두 원시 행성계 원반에서 유래한 천체임을 시사합니다. 

 

힐스 구름의 형성

많은 과학자들은 태양계가 탄생한 지 8억 년 이내에 태양과 다른 항성들이 800 au의 거리까지 접근하면서 내부 오르트 구름이 형성되었다고 생각합니다. 이는 목성이나 해왕성의 영향을 받지 않고 조석의 영향을 받지 않아야 하는 소행성 세도나의 큰 이심률의 궤도를 설명할 수 있습니다. 이 경우, 내부 오르트 구름은 오르트 구름보다 더 '젊을' 가능성이 있습니다.