우주선 충돌, 쌍소행성 궤도 넘어 태양 공전까지 바꿨다

곽노필의 미래창
궤도 반경 줄어들며 공전 주기까지 단축
소행성 충돌 대비한 지구 방어 실험 성과
인공물체로 태양 도는 천체 첫 궤도 변경

다트 우주선이 소행성과 충돌하기 2분30초 전의 디디모스(왼쪽 아래)와 디모르포스. 다트 우주선에 탑재된 카메라가 920km 거리에서 촬영했다. 미국항공우주국 제공

2022년 9월 이뤄진 사상 첫 소행성 궤도 변경 실험에서 쌍소행성 중 작은 소행성에 충돌한 우주선이 이 소행성의 동반 소행성 공전 궤도만 아니라 쌍소행성의 태양 공전 궤도까지 변경한 것으로 확인됐다.

당시 미 항공우주국(나사)은 지구에서 1100만km 떨어진 거리에서 너비 170m의 소행성 디모르포스에 다트(DART, ‘쌍소행성 궤도 변경 실험’의 영문 약자) 우주선을 초속 6.25㎞(시속 2만2530km)의 속도로 충돌시켰다. 미래에 있을지도 모를 소행성 충돌에 대비한 지구 방어 작전의 일환으로 시도했던 이 실험은 디디모스라는 너비 805m의 더 큰 소행성을 1189m 거리에서 11시간 55분을 주기로 공전하는 작은 소행성 디모르포스의 궤도를 변경하는 것이 목적이었다. 실제로 우주선 충돌 충격으로 두 소행성 간 거리가 줄어들면서 거의 12시간이었던 디모르포스의 공전 주기는 약 33분 단축됐다. 소형 냉장고 크기의 다트 우주선 무게는 충돌 당시 570kg이었다.

그런데 최근 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표된 연구에 따르면 궤도 변경 실험의 성과는 그 이상이었다. 어배너-섐페인 일리노이대가 주축이 된 국제연구진이 2022년 10월부터 2025년 3월까지 전 세계 아마추어 천문학자들이 관측한 항성 엄폐 현상 데이터를 토대로 종합분석한 결과, 두 소행성의 태양 공전 주기도 아주 미세하게 변한 것으로 나타났다. 항성 엄폐란 소행성이 별 앞을 지나갈 때 별빛이 아주 짧은 순간 사라지는 현상을 말한다. 이 현상을 분석하면 소행성의 속도와 모양, 위치를 매우 정밀하게 측정할 수 있다.

2022년 9월 미국항공우주국의 다트 우주선이 작은 소행성 디모르포스(아래)에 충돌한 후의 모습을 이탈리아 리치아큐브 위성이 촬영한 사진. 왼쪽은 충돌 2분40초 후에, 오른쪽은 그로부터 20초 후에 촬영한 것이다. 큰 천체는 디디모스다. 미국항공우주국 제공

충돌 충격에 파편 반동 효과 추가

연구진은 시속 12만2천km의 속도로 태양을 공전했던 쌍소행성이 충돌 후 궤도 반지름이 약 360m 줄어들면서 시간당 약 5cm 정도 더 빠르게 궤도를 이동하고 있다는 사실을 확인했다. 이로 인해 770일인 두 소행성의 태양 공전 주기는 0.15초 단축됐다. 공통 질량 중심을 기준으로 서로를 공전하는 쌍소행성 중 한 소행성에서 일어난 변화가 공통질량의 중심을 이동시킨 결과다.

이런 변화는 단순히 우주선의 충돌로만 일어난 것이 아니라, 우주선에 의해 튕겨나간 파편이 우주 공간으로 뿜어져 나오면서 생긴 반동 효과가 덧붙여져 생긴 것이다. 연구진은 우주선이 충돌하며 가한 힘과 소행성에서 튀어나간 파편들이 반작용으로 밀어낸 힘이 거의 같아, 결과적으로 우주선만 부딪혔을 때보다 두배의 궤도 수정 효과를 얻었다고 설명했다.

너비 170m의 소행성 디모르포스를 근접 촬영한 사진. 미국항공우주국 제공

올해 말 현장 확인 우주선 도착

이는 인공 물체가 태양을 도는 천체의 궤도를 바꾼 최초의 사례다. 나사의 태양계 소행성 담당 수석과학자인 토마스 스탯틀러는 “이번 궤도 변화는 시간만 주어진다면 아주 작은 변화도 큰 폭의 궤도 수정으로 이어질 수 있다는 걸 보여준다”며 “쌍소행성 중 하나에 충격을 줘 시스템 전체를 변화시킴으로써 운동 충격(kinetic impact) 방식이 소행성 위협으로부터 지구를 방어하는 유효한 기술임을 입증했다”고 말했다.

유럽우주국은 2024년 충돌 현장을 직접 확인하기 위한 소행성 탐사선 헤라를 발사했다. 헤라는 올해 말 두 소행성에 도착해 궤도 변경 측정값을 정밀하게 검증한다. 또 디모르포스의 형상이 어떻게 변했는지, 얼마나 많은 파편이 흩어졌는지, 분출된 물질은 소행성 중 하나에 다시 내려앉았는지 아니면 완전히 사라졌는지도 살펴볼 예정이다.

*논문 정보

Direct detection of an asteroid’s heliocentric deflection: The Didymos system after DART.

doi/10.1126/sciadv.aea4259

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr