혜성은 다른 행성들에 비해 비교적 긴 주기로 태양 주변을 공전하는 작은 돌덩어리들로, 지구 주변으로 올 수록, 태양풍에 의해 타들어가면서 예쁜 꼬리를 가진 모습으로 관측되는 작은 천체를 말합니다. 지구 주변으로 날아오는 아이들의 수도 많지 않고, 특히 위 그림과 같이 일반인들도 비교적 쉽게 관측할 수 있는 혜성들은 정말 드물게 오기 때문에 매우 밝은 아이가 날라와서 밤하늘을 예쁘게 수놓는 경우는 사실 그리 많지 않습니다.
오늘은 바로 혜성에 대한 이야기를 해 볼까 합니다. 주로 다룰 내용은 너무 전문적인 내용 보다는 알아두면 좋을법한 내용들 위주로 다룰 예정이니 가볍게 보아 주시면 될 것 같습니다.
1. 혜성의 종류
혜성은 주로 혜성의 공전 주기를 기준으로 분류합니다. 200년을 기준으로 분류하는데,
- 단주기 혜성 : 주기가 200년 미만인 아이들. 이 중 다시 주기가 20년 미만이면 목성족 혜성, 20~200년 사이이면 헬리 혜성족으로 분류합니다.
- 장주기 혜성 : 주기가 200년 이상인 긴 주기의 아이들
- 비주기 혜성 : 태양 주변에 온뒤 두번 다시 돌아오지 않는 아이들. 공전궤도는 쌍곡선이나 포물선 궤도를 그립니다.
대부분 혜성의 궤도는 심하게 찌그러진 타원 궤도를 그리며, 대부분 단주기 혜성의 공전궤도면은 황도면과 거의 나란한데, 장주기 혜성의 공전궤도면은 황도면과 상관없이 아주 자기 멋대로 되어 있습니다. 또한 비주기 혜성은 다시는 돌아오지 않는 아이들로, 당연히 공전궤도는 타원이 아닌 열려있는 쌍곡선이나 포물선 궤도를 그립니다. 주기에 따라 공전 궤도면의 형태가 다른 것도 다 이유가 있는데 이는 차차 다루도록 하겠습니다.
2. 혜성의 구조
혜성의 구조는 비교적 간단합니다. 우선 혜성의 근간이 되는 핵, 그리고 핵 주변을 둘러싸며 밝게 빛나는 빛인 코마, 마지막으로 코마 뒤로 놓인 2개의 꼬리인 이온 꼬리와 티끌 꼬리가 그것입니다.
가. 혜성의 핵과 코마
혜성의 핵은 얼음, 먼지, 암석질 등의 혼합체로 이루어 진 것으로 알려져 있습니다. 이렇게 생겨먹다 보니, 혜성의 핵을 부르는 이름도 매우 재미있습니다. 우리말로 번역하면 '더러운 눈덩이 구조' 쯤으로 번역이 됩니다. 보통 핵은 지름 수백 m 수준으로 작은데, 매우 작은건 수십m, 큰 놈은 50km 수준 까지도 발견되었다고 합니다. 당연히 큰 놈일 수록 밝습니다. 참고로 2031년에 그동안 관측되었던 혜성 중 가장 큰 놈이 토성을 지나친다 합니다. 베르나디넬리-번스타인(Bernardinelli-Bernstein) 혜성(공식 명칭은 C/2014 UN271)이라는 녀석인데, 지름이 137km로, 지금까지 발견된 혜성 중 가장 크다고 하네요. 이런 혜성 핵의 질량은 지름 1km에 대하여 대략 수십억톤 정도 된다 합니다.
핵은 코마라는 일종의 가스와 먼지같은 구름으로 둘러싸여 있습니다. 이 코마라는 것은, 혜성이 태양으로 접근하면서 태양에 의해 핵의 물질이 승화하며 그 주변을 뿌옇게 덮고 있는 아이입니다. 이 코마라는 녀석이 생각하는것 보다는 훨씬 큽니다. 물론 핵에서 멀어질 수록 희미해져서 잘 안보이긴 하겠지만, 큰 경우에는 심지어 태양보다도 커 진다고 합니다. 태양의 강한 열과 에너지에 의해 발생하는 것이기 때문에 당연히 태양에 접근할 수록 커지고, 먼 곳에서는 작습니다.
나. 혜성의 꼬리
혜성을 가장 아름답게 하는 것이 꼬리입니다. 그러기에 혜성을 이야기 하며 당연히 이 꼬리를 논하지 않을 수 없습니다.
사실 혜성의 꼬리는 육안으로 보면 인터넷이나 서적에서 보는 것 만큼 전혀 화려하지 않습니다. 뉴스에 나올 정도로 떠들석한 혜성이라도 도심지에서 맨눈으로 꼬리를 본다는건 기대조차 하면 안되고, 주변에 불빛이 전혀 없는 곳에 가야 저게 꼬리야 하고 생각이 들 정도로 희미합니다.
혜성 사진들에 보이는 꼬리들은 대부분 오랜 시간 노출을 주어 촬영한 결과물이지 육안으로 그렇게 보인다 생각하시면 안됩니다.
아래 사진은 2020년 니오와이즈 혜성이 지구 근처에 왔을 때 촬영한 사진인데, 소 도심지라 광공해가 적긴 했지만, 그럼에도 꼬리가 멋지게 보이진 않았습니다. 그마저도 육안으로는 혜성의 꼬리는 커녕 혜성 코마(머리쯤?) 조차도 보이지 않았습니다.
어찌되었든 혜성의 꼬리는 크게 먼지꼬리(티끌꼬리, dust tail)와 이온꼬리(ion tail 또는 gas tail)로 구분합니다. 이 꼬리가 생기는 이유는 태양풍이나 태양 자기장에 의해 혜성 핵의 물질이 태양 반대방향으로 날려가며 생기는 건데, 이게 먼지꼬리와 이온꼬리가 발생 기작이 조금 다릅니다.
먼저, 이온 꼬리는 태양 자기장에 의해 생기는 꼬리입니다. 태양풍이 혜성 방향으로 불어오면, 태양 자기장도 함께 딸려 옵니다. 이 때 태양 자기장이 혜성을 지나가면, 혜성 핵에 있는 물질 중 자기장에 붙들릴 수 있는 이온화 물질이나 가스가 태양 자기장에 매달려 태양풍과 함께 뒤로 밀려나가게 됩니다. 이런 이유로 이온 꼬리는 완전히 태양 정 반대 방향으로 만들어집니다.
먼지꼬리는 이보다 단순합니다. 태양으로부터 불어오는 태양풍 및 태양자기장과 함께 혜성은 태양 빛 입자(?)에 의한 복사압을 정면으로 맞으며 조금씩 먼지같은 암석 부스러기가 떨어져 나갑니다. 이 아이들은 이온으로 변신하지 않기 때문에 자기장에 붙들리지는 않으며, 혜성으로부터 떨어져 나가며 운동 능력을 손실, 혜성의 진행방향 뒷편에 뿌려지게 됩니다.
이런 이유로 혜성의 이온꼬리는 태양 방향, 먼지꼬리는 궤도 뒷편으로 놓이게 되며, 혜성이 두 개의 꼬리를 가지게 되는 것입니다.
그런데 두 꼬리 모두 태양의 영향을 크게 받습니다. 더군다나 이 영향은 태양에 가까워 질 수록 커 집니다. 때문에 태양에 가까울수록 꼬리가 크고 선명해 집니다. 심지어 어떤 꼬리는 1AU보다 긴 것도 심심치 않게 관측되었습니다.
위 그림은 이 과정을 잘 보여주는데, 태양에 가까워 질 수록 꼬리의 길이가 길어지고, 이온꼬리(Gas tail 이거나 ion tail)와 먼지꼬리(Dust tail)의 방향이 다릅니다.
3. 혜성의 기원
그런데 이 떠돌이 별들은 어디서 왔을까? 아직 정확하진 않지만, 혜성의 고향으로 알려진 것이 오오트 구름(Oort Cloud)와 카이퍼 벨트(Kuiper belt)입니다. 카이퍼 벨트는 그나마 해왕성이나 명왕성의 공전 궤도 주변이라지만, 오오트 구름은 정말 먼 곳에서 구형으로 넓게 분포해 있습니다.
위 그림을 보면 알 수 있듯, 카이퍼 벨트는 황도면 주변에 골고루 분포해 있고, 오오트 구름은 태양계 주변을 전체적으로 구면을 잘 둘러싸고 있습니다.
혜성들이 바로 이 카이퍼벨트와 오오트 구름에서부터 오고 있는 것으로 알려져 있는데, 비교적 지구와 가까운 카이퍼 벨트에서 출발한 혜성은 주로 단주기 혜성입니다. 반대로 오오트 구름에서부터 목성을 비롯한 주변 행성의 중력이나 자기들끼리의 충돌로 궤도를 이탈하며 지구에 오는 아이들도 있는데 이들이 바로 장주기 혜성 입니다. 오오트 구름은 카이퍼 벨트와 비교했을 때 궤도 반지름이 100,000AU~200,000AU로 엄청나게 깁니다. 그러다 보니 공전주기가 터무니 없이 깁니다. 또 재미있는 것은 오오트 구름 기원의 혜성들의 공전궤도면이 황도면과 비슷하지 않고 전부 제각각이라는 것입니다. 이 부분은 애당초 오오트 구름이 구형으로 분포한 것에 기인합니다. 오오트 구름 자체가 구형으로 분포하니 거기서부터 날라오는 혜성들은 당연히 황도 궤도면과 무관하게 어디에서든 무작위로 날라올 수 있는 것입니다. 이렇게 오오트 구름에서 출발한 긴 주기의 혜성들을 장주기 혜성이라 합니다.
아래 영상은 2014년 C\2020 P3, 다른말로 자크 혜성을 촬영한 영상입니다. 혜성 꼬리를 촬영해 보고자 일부러 광시야로 촬영했는데 혜성 꼬리는 1도 보이지 않았.......ㅠㅠ 대신 주변 별 사이를 지나는 혜성을 담을 수 있었습니다.
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