태양계의 아홉 번째 행성은 존재할까?

태양계 9번째 행성의 상상도. <출처 : ESO>

그래도 지구는 돈다

21세기에 사는 우리는 아무런 의심 없이 지구와 다른 행성들이 태양 주위를 돌고 있다고 생각한다. 하지만 많은 독자들이 잘 알고 있는 것처럼 1000년 전만 해도 이러한 생각은 전혀 받아들여지지 않았다. 그들은 태양과 달, 행성이 모두 지구를 돌고 있다고 생각하였으며 이는 ‘정교한’ 수학적 계산에 의해 뒷받침되고 있었다. 하지만 시간이 지나고 더 정밀하게 행성의 움직임을 측정한 결과가 하나둘 나오면서 이러한 주장은 흔들리기 시작하였다. 행성이 지구 주위를 원 궤도로 도는 우주 모형으로는 결과를 완벽히 설명할 수 없었던 것이다. 그러나 당시 천문학자들은 지구가 태양 주위를 돌고 있다는 혁명적인 해결책을 떠올리지 않았다. 대신 그들은 행성이 지구 주위를 원 궤도로 도는 것이 아니라, 주전원, 즉 지구 주위를 도는 원 궤도 위의 한 점을 중심으로 하는 원을 따라 공전하고 있다고 설명하였다. 그렇게 기존에 예측된 행성의 운동과 관측된 실제 행성의 위치가 맞지 않을 때마다 그들은 궤도에 주전원을 하나씩 추가하며 어떻게든 그러한 관측을 설명해보고자 하였다. 그러던 중 폴란드의 성직자였던 코페르니쿠스가 지구가 태양 주위를 돌고 있다는 가설, 즉 지동설을 주장하였다. 그 후, 이 지동설이 훨씬 간단하게 행성의 운동을 설명할 수 있다는 점에서 갈릴레이, 케플러 등의 후대 학자들에게 영감을 주어 지동설의 근거가 점점 늘어나게 되었다. 결국 지동설이 천동설을 밀어내게 되었으며 그것이 지금 우리에게는 ‘과학적 사실’로 받아들여지게 되었다.

토머스 쿤은 ‘과학혁명의 구조’에서 위에 소개한 천동설과 지동설의 대결을 예로 들어 ‘과학 혁명’이 어떻게 일어나는지 설명하였다. 그는 과학적 사실이라는 것이 학자들의 합의를 통해 구성된 것임을 지적하며 그것을 ‘정상과학’이라 정의하였다. 위의 이야기를 예로 들면 1000년 전에 천체의 운동을 설명하는 정상과학은 천동설이었으며 지금은 그것이 지동설로 변하였다. 이러한 정상과학의 변화를 그는 ‘과학혁명’이라고 정의하였으며 다음과 같은 과정을 따른다고 주장하였다.

1. 정상과학으로 설명할 수 없는 변칙 사례가 발견된다.

2. 과학자들은 변칙 사례를 배척하고 기존의 정상과학을 옹호한다.

3. 변칙 사례가 쌓이면 비주류 학자들이 대안적인 설명 방법을 찾는다. 

4. 이후 세대가 그 대안적인 설명 방법을 지지한다.

5. 대안적인 설명 방법이 새로운 정상과학이 된다

위의 지동설 이야기를 과학혁명이 일어나는 과정에 맞추어 찾아보면 다음과 같이 정리할 수 있다

1. 천동설로 설명할 수 없는 행성의 운동이 발견된다.

2. 천문학자들이 열심히 주전원을 추가해가며 행성의 운동을 설명하려 한다.

3. 그럼에도 설명되지 않는 행성의 운동이 계속 드러나고, 코페르니쿠스가 지동설을 제시한다.

4. 갈릴레이와 케플러 등 후대 과학자들이 지동설의 근거를 계속 찾아낸다.

5. 지동설이 태양계 행성의 운동을 설명하는 유일한 체계가 된다.

물론 쿤의 주장이 완벽한 것은 아니지만, 현재도 우리가 과학적 사실이라고 믿어왔던 것들이 새로운 발견에 의해 도전받는 일이 종종 일어나고 있다. 이번 기사에서 소개할 태양계의 9번째 행성 가설 역시 그중 하나라고 볼 수 있다. 명왕성이 행성의 지위를 잃어버린 2006년 이후 우리는 태양계의 행성은 8개뿐이며 마지막 행성인 해왕성 궤도 밖에는 ‘카이퍼 대’ (Kuiper Belt)라고 하는 소행성의 무리와 오르트 구름이라고 하는 혜성의 무리가 있다고 믿어왔다. 그런데 이러한 통념을 깨고 해왕성 궤도 바깥에 9번째 행성이 있다고 주장하는 학자들이 등장하기 시작하였는데, 그것이 바로 태양계의 9번째 행성 가설이다. 과연 이 가설은 우리가 알고 있는 태양계의 모습을 바꿔놓을 수 있을까? 차례차례 살펴보도록 하자.

카이퍼 대와 오르트 구름의 모습. 가운데에 있는 원반이 카이퍼 대이고 바깥쪽 구형 분포가 오르트 구름이다. <출처 : NASA>

1. 정상과학으로 설명할 수 없는 변칙 사례가 발견된다.

오래전부터 천문학자들은 태양계에 새로운 행성이 있음을 주장하며 이를 관측하기 위해 많은 노력을 기울여 왔다, 그러한 노력 덕분에 1781년과 1846년에 각각 천왕성과 해왕성이라는 새로운 행성을 발견할 수 있었다. 하지만 그들은 여기에서 멈추지 않고 꾸준히 해왕성 너머 새로운 행성이 있다고 주장하였는데, 그것이 바로 행성 X이다. 18세기 중반부터 천문학자들은 천왕성과 해왕성의 궤도가 예측과 맞지 않는 부분이 있고, 이것이 이들 행성을 주기적으로 끌어당기며 괴롭힘으로써 궤도 운동에 이상을 일으키는 행성 X 때문이라고 주장하였다. 이러한 행성 X를 관측하기 위한 노력 끝에 미국의 천문학자 클라이드 톰보는 명왕성(이었던 것)을 발견하였다. 하지만 명왕성의 질량은 너무 작아 지금까지 계산된 천왕성과 해왕성의 궤도 이상을 일으키기에는 충분치 않다는 것이 밝혀졌고, 다시 천문학자들은 행성 X를 찾아 나섰다.

그러나 행성 X는 1970년 이후 외행성 탐사가 본격화되면서 존재가 의심받기 시작했다. 먼저, 보이저 2호 탐사선이 각 외행성을 지나가면서 받은 중력을 통해 각 행성의 질량을 계산해보니 우리가 이들 행성의 질량을 잘못 알고 있었음이 드러났다. 이렇게 새로 밝혀진 사실을 적용하여 천왕성과 해왕성의 궤도를 다시 계산해보니 그 예측값이 실제 관측과 잘 맞았다. 게다가 행성 X를 생각하지 않고 탐사선의 궤도를 계산하였는데도 실제로 그 궤도를 따라갔다. 더 나아가서, 행성 X의 후보 중 하나로 기대되었던 명왕성 역시 1990년대 이후로 그 주변에서 명왕성과 비슷하거나 더 큰 왜소행성이 발견되면서 행성의 지위를 잃어버리게 되었다. 이러한 역사를 통해 우리는 해왕성 바깥에 행성 X 대신 명왕성과 같은 작은 소행성들이 마치 토성의 고리처럼 띠를 이루며 태양 주위를 돌고 있는 ‘카이퍼 대’가 있음을 알게 되었다. 그 이후 천문학자들은 계속 ‘카이퍼 대’에 있는 천체들을 발견하였고 특히 태양에서 지구보다 200배 혹은 그 이상으로 더 멀리 떨어진 천체도 있음을 알게 되었다.

카이퍼 대 바깥쪽 천체들이 비슷한 위치에서 태양 근처를 지나가는 모습. <출처 : 논문 Batygin et al (2019), ‘The Planet Nine Hypothesis’>

그런데 위와 같이 태양으로부터 매우 멀리 떨어져 있는 카이퍼 대 천체들의 운동을 분석해보니 이상한 점이 발견되었다. 그전까지 카이퍼 대 천체들은 가장 가까이에 있는 행성인 해왕성의 영향권 안에 있어, 주기적으로 해왕성이 앞뒤에서 잡아끄는 과정을 거치며 현재의 궤도에 자리하게 되었다고 알려져 있었다. 그런데 매우 멀리 떨어져 있는 카이퍼 대 천체들은 해왕성의 움직임과 무관하게 태양 주위를 돌고 있었다. 더 놀라운 것은 이 천체들이 타원형 궤도를 돌다가 태양에 가장 가까워지는 지점인 근일점을 지날 때 밤하늘에 보이는 위치가 서로 비슷하다는 것이었다. 무엇이 이 천체들을 마치 양 떼를 이끄는 양치기처럼 몰아 비슷한 방향으로 지나가게 하는 것일까? 의아한 것은 이뿐만이 아니었다. 명왕성을 포함한 많은 카이퍼 대 천체들이 타원형 궤도를 돌면서 해왕성 궤도 안쪽으로 들어오는데, 이러한 천체들을 ‘해왕성을 지나는 천체’라 부른다. 그런데 이들 천체 중 일부가 다른 행성이나 소행성처럼 지구에서 봤을 때 태양이 지나가는 길인 황도 근처를 지나가지 않고 굉장히 기울어진 궤도를 돌고 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 천체의 궤도가 만들어지기 위해서는 똑같이 기울어진 궤도를 돌고 있는 큰 천체가 있어 다른 천체들을 주기적으로 끌어올려야 한다. 그런데 해왕성은 앞에서 언급하였듯 지구가 태양을 공전하는 궤도와 1.7도밖에 기울어져 있지 않기 때문에 이러한 천체를 만드는 것이 어렵다. 이처럼 기존 태양계에서 설명할 수 없는 변칙 사례가 발견되자 천문학자들은 이에 대해 다양한 설명을 내놓기 시작하였다.

2. 과학자들은 변칙 사례를 배척하고 기존의 정상과학을 옹호한다

기존 태양계의 모습, 즉 행성이 8개인 태양계의 틀에서 위의 소행성들을 설명하는 방법은 크게 2가지로 나누어진다. 첫 번째는 앞에서 설명한 멀리 떨어진 카이퍼 대 천체들이 비슷한 방향에서 태양에 가까워지는 것이 사실은 우리가 이러한 천체들만 관측했기 때문이라는 것이다. 이러한 현상을 우리는 ‘관측 편향’이라고 부른다. 예를 들어, 학생들이 자주 이용하는 식당을 조사하기 위해 지나가는 학생들을 대상으로 인터뷰를 하는데, 학생들을 섭외하는 장소가 어떤 식당 바로 앞이라면 당연히 그 식당을 많이 이용한다는 결과가 나올 것이다. 특히 멀리 떨어진 카이퍼 대 천체들은 굉장히 어두워서 이러한 천체들을 찾기 위해 학자들은 이들 천체가 지나갈 만한 곳 중 가장 확률이 높은 곳을 망원경으로 집중적으로 보며 새로운 천체를 발견한다. 당연히 이들 천체는 비슷한 궤도를 가질 확률이 높으므로 학자들은 이를 보정하기 위해 자신들이 관측한 소행성이 얼마나 전체 소행성들을 잘 대표하는지 계산하곤 한다. 앞의 식당 조사를 예로 들면, 내가 어떤 식당과 얼마나 떨어진 곳에서 조사했는가를 고려하여 학생들의 응답에 가중치를 주는 식인 것이다. 이런 방식으로 천문학자들은 지금 관측된 멀리 떨어진 카이퍼 대 천체들이 태양과 가까워지는 위치가 몰려 있는 현상을 일시적으로 우연히 그렇게 보이는 것이며, 전체적인 분포는 방향과 크게 상관없을 것이라 설명하였다.

OSSOS 조사의 관측 방법. 알파벳으로 나타내진 좁은 삼각형 영역을 집중적으로 관측하였다.

2013년부터 2017년까지 진행된 외부 태양계의 기원 조사(Outer Solar System Origins Survey, OSSOS)에서는 하늘에 8개의 블록을 설정하고 그 지역을 집중적으로 관측함으로써 새로운 카이퍼 대 천체 838개를 발견하였다. 특히 그중에는 태양으로부터 지구보다 150배나 멀리 떨어진 천체 8개가 포함되어 있었다. 연구진이 이들 천체를 통해 전체적인 분포를 추정해보니 사실 천체들이 태양에 가까워지는 방향은 거의 균일하다는 결과가 나왔다. 그런데, 다른 연구자들은 추정 방식에 의문을 제기하며 다른 방식을 이용해 추정하면 우연히 태양에 가까워지는 방향이 비슷해질 확률을 15%까지도 낮출 수 있다고 주장하였다. 즉, 실제로 소행성들이 비슷한 방향에서 태양에 제일 가까워지는 현상이 일어나고 있다는 것이다. 앞의 식당 조사를 예로 들면 한 연구팀은 결과를 보정하는 과정에서 조사하는 위치와 식당들과의 거리만을 고려했는데, 다른 연구팀은 점심과 저녁에 따라 메뉴의 선호도가 바뀔 수 있으니 그것까지 고려하여 결과를 보정한 것이다. 이처럼 관측 편향을 논할 때는 결과의 보정 방법에 따라 크게 변할 수 있어 주의가 필요하다.

또 다른 설명 방법은 카이퍼 대 자체가 질량을 가진 작은 천체가 무수히 많이 모여 있으므로 이 거대한 띠가 해왕성 바깥에 있는 천체들에 중력을 미쳐서 지금과 같은 궤도로 돌도록 만들었다는 것이다. 그런데 이러한 거대한 띠 구조로는 소행성이 비슷한 ‘방향’에서 태양에 가까워지는 현상을 설명할 수가 없다. 띠 구조는 전 궤도에 걸쳐서 폭넓은 방향으로 중력을 가하기 때문에 특정 방향으로 행성들을 모을 수가 없기 때문이다. 이외에도 다양한 이론들이 제기되었지만, 현재로서는 지금까지의 태양계 모델을 이용해 앞에 소개된 변칙 사례들을 속 시원하게 설명해 줄 이론은 나오지 않았다.

3. 변칙 사례가 쌓이면 비주류 학자들이 대안적인 설명 방법을 찾는다.

2016년 캘리포니아 공과대학의 마이클 브라운과 콘스탄틴 바티긴은 앞서 제기된 카이퍼 대 천체들의 운동을 근거로 하여 그들 너머에 지구 5~10배 질량을 가진 9번째 행성이 있다고 주장하였다. 마이클 브라운은 많은 카이퍼 대 천체의 발견에 참여한 천문학자로, 특히 2006년 명왕성이 행성의 지위를 잃어버리는 데에 가장 크게 기여한 사람 중 하나이다. 그는 아홉 번째 행성을 추가하여 카이퍼 대 천체가 시간에 따라 어떤 궤도를 따라 태양 주위를 공전하는지 실험하였다. 그 결과, 카이퍼 대 바깥쪽 천체들이 모이는 현상과 해왕성을 지나는 천체 중 일부가 굉장히 많이 기울어진 궤도를 따라 도는 현상을 재현해 낼 수 있었다. 그들의 주장에 따르면 가상의 9번째 행성은 태양으로부터 지구보다 400배에서 800배 멀리 떨어져 있으며 밝기는 약 22등급 정도 될 것으로 예측되었다. 그렇다면 이 9번째 행성은 어떻게 만들어진 것일까?

9번째 행성의 형성에 관한 가설들. (위) 현재 위치에서 형성, (중간) 해왕성 바깥에서 만들어졌다가 이후 현재 위치로 튕겨 나감 (아래) 다른 별 주위를 돌다가 태양계로 옮겨옴

태양계의 행성들은 거대한 가스 구름이 뭉쳐지며 태양이 만들어질 때 그 자리에 남아 주변의 가스와 티끌들을 흡수하며 점점 몸집을 키워나가면서 만들어졌다. 그런데 행성들이 만들어진 위치는 지금의 위치와는 같지 않았다는 것이 2000년대 들어 밝혀졌다. 행성들, 특히 목성과 토성이 움직이면서 천왕성과 해왕성은 바깥으로 밀려나다가, 태양계 바깥쪽에 있는 티끌을 만나며 지금의 자리에 멈추게 되었다는 것이 최근까지 학자들이 동의하고 있는 태양계 형성 시나리오의 큰 틀이다. 그러므로 9번째 행성의 생성 시나리오는 크게 처음부터 그 위치에서 계속 있었거나, 원래 카이퍼 대 안쪽에 있었는데 바깥쪽으로 튕겨 나왔다는 두 가지 가설이 있을 것이다. 그리고 어떤 연구자들은 이 행성이 태양으로부터 굉장히 멀리 떨어져 있는 것으로 보아 태양 인근을 지나가는 다른 별을 공전하던 행성이 우연히 태양에게 잡혀 태양 주위를 돌게 된 것이라고도 주장한다. 각 주장 모두 나름의 근거와 한계를 가지고 있어 어느 것이 가장 타당한 주장이라고는 할 수 없지만 확실한 것은 이 행성이 발견되어 그 형성 과정을 알게 된다면 태양계 형성 시나리오가 크게 바뀔 것은 분명한 사실이다.

9번째 행성의 밤하늘 상에서의 예상 이동경로. <출처 : Wikipedia ‘Planet Nine’>

이 가설의 가장 큰 약점은 무엇보다도 우리가 9번째 행성을 아직 찾아내지 못했다는 것이다. 브라운과 바티긴의 논문이 발표되자 그들을 포함한 많은 천문학자들이 지구상의 거대한 망원경을 이용해 이 행성을 찾고자 노력하였으나 결국 실패하였다. 물론 이 행성은 태양으로부터 굉장히 멀리 떨어져 있어 태양빛을적게 받을 것이다. 그에 따라 지구에서 관측할 수 있는, 행성 표면에서 반사되는 빛도 매우 약해 매우 어둡게 보일 것이며, 굉장히 멀리 떨어져 있어 그 운동이 거의 별과 비슷하게 보일 것이다. 그러므로 태양계의 9번째 행성을 찾아내기 위해서는 지금보다 더 큰 망원경과 우주망원경을 동원하여 장기간의 거대한 조사 연구가 필요할 것으로 보인다.

4. 이후 세대가 그 대안적인 설명 방법을 지지한다.

지금까지 우리는 태양계에 9번째 행성이 존재한다는 가설이 등장한 과정을 살펴보았다. 9번째 행성 가설은 관측 사실을 잘 설명해주는 것처럼 보이지만, 이 행성이 관측되지 않는 한 그저 ‘가설’로만 존재할 것이다. 과연 9번째 행성 가설은 우리가 알고 있는 태양계의 모습을 바꿔놓을 수 있을까? 이제 판단은 여러분의 몫이다.

참고 자료

전반적인 내용 : Batygin et al (2019), ‘The Planet Nine Hypothesis’, eprint arxiv:1902.10103

과학혁명 : 토머스 쿤 (1962), 과학혁명의 구조, 김명자 역, 까치

행성 X : Tegler et al. (2001), ‘Almost Planet X’, Nature 411

9번째 행성 가설 : Batygin et al. (2016), ‘Evidence for a Distant Giant Planet in the Solar System’, The Astronomical Journal 151

OSSOS : Shankmen et al. (2017), ‘OSSOS. VI. Striking Biases in the Detection of Large Semimajor Axis Trans-Neptunian Objects’, The Astronomical Journal 154

확률 계산 : Brown and Batygin (2019), ‘Orbital Clustering in the Distant Solar System’, The Astronomical Journal 157

관측 : Brown et al. (2016), ‘Observational Constraints on the Orbit and Location of Planet Nine in the Outer Solar System’, The Astrophysical Journal Letter 824

글 : 진선호