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​해왕성의 내부 위성들. 해왕성 제1 위성 '트리톤'과 해왕성 사이에는 작은 위성이 있다. 이번에 '히포캄프'라는 지름 34km의 초소형 위성이 새로 추가됐고 형성 과정도 밝혀졌다. -사진 제공 네이처

태양계에서 가장 바깥에 위치한 행성인 해왕성에서 새로운 위성이 발견됐다. 해왕성의 14번째 위성인 ‘히포캄프(S/2004 N1)’는 크기가 서울 면적 6배 정도인 소형 위성으로, 그리스 신화에 등장하는 바다괴물에서 이름을 땄다. 연구팀은 이 위성이 해왕성에서 두 번째로 큰 위성인 ‘프로테우스’에서 떨어져 나왔을 것으로 추정했다. 

마크 쇼월터 미국 세티연구소 수석연구원팀은 미국 UC버클리, 미국항공우주국(NASA)와 공동으로 해왕성 주위를 도는 지름이 34km의 위성 히포캄프를 발견해 네이처 20일자에 발표했다. 히포캄프는 1989년 미국의 태양계 탐사선 보이저 2호가 처음 발견한 해왕성의 6개 소형 위성 사이에서 발견됐다. 해왕성에는 이전까지 13개의 위성이 발견돼 있었는데, 가장 큰 위성인 ‘트리톤’을 기준으로 트리톤과 해왕성 사이에 6개, 바깥에 6개가 위치해 있었다. 

트리톤은 해왕성의 자전 방향과 거의 반대로 도는 이상한 위성으로, 해왕성이 외부에서 ‘낚아챈’ 위성으로 추정되고 있다. 비유하자면 외부의 소행성을 ‘양자’로 데려온 셈이다. 트리톤과 해왕성 사이의 6개 위성은 모두 크기가 60~420km대의 작은 위성으로, 트리톤이 해왕성의 위성이 된 이후 새롭게 형성된 위성으로 여겨지고 있다. 대부분 과거에 큰 위성이 여러 차례에 걸쳐 쪼개지는 과정에서 위성이 됐다고 추정된다.

이번에 발견된 히포캄프는 이 6개 위성 중 가장 바깥에 위치한 해왕성 제2의 위성 ‘프로메테우스’ 바로 옆에서 발견됐다. 거리가 1만2000km로, 서울에서 미국 뉴욕까지의 거리보다 조금 더 떨어진 정도로 가깝다. 연구팀은 두 위성의 공전궤도 변화도 추적했는데, 둘 다 해왕성의 중력에 튕겨 천천히 멀어지고 있다는 사실을 확인했다. 그런데 멀어지는 속도가 달랐다. 보다 바깥에 위치한 무거운 프로테우스가 안쪽의 가벼운 히포캄프보다 빨리 바깥으로 멀어졌다. 두 위성의 거리가 점점 벌어지는 중이라는 뜻이다. 

연구팀은 이를 바탕으로 두 위성이 과거에는 하나였다가 혜성 충돌 등으로 멀어지고 있다고 추정했다. 프로테우스에는 실제로 가장 긴 쪽의 지름(420km)의 62%에 해당하는 최대 지름 260km의 거대한 충돌구(크레이터) ‘파로스’가 있다. 소월터 수석연구원은 “혜성 등 다른 천체와 프로테우스가 충돌하며 파로스가 형성됐으며, 이 과정에서 작은 파편이 프로테우스에서 해왕성 쪽으로 1000~2000km 떨어진 지점에 무수한 파편을 남겼고, 그 중 일부가 뭉쳐서 히포캄프가 됐을 것”이라며 “계산 결과 약 40억 년 전 충돌이 일어난 것으로 보인다”고 설명했다.

새 위성을 발견하게 한 신기술도 주목 받았다. 연구팀은 행성을 반복 촬영한 뒤 영상을 합치는 방법으로 매우 어두운 우주 사진을 밝게 보정하는 새로운 기술을 활용했다. 카메라로 사진을 찍을 때 노출속도(셔터속도)를 길게 하면 빛의 양이 늘어나 밝은 사진이 된다. 연구팀은 허블우주망원경으로 2004~2016년에 걸쳐 해왕성 및 주변을 가시광선 및 적외선 연속사진으로 찍은 뒤, 위성의 공전속도를 고려해 위성이 이동한 위성 영상 픽셀의 위치를 찾고, 이 픽셀을 기존 위치의 픽셀과 계속 겹치는 방법을 썼다.

연구팀은 이 방법으로 실제로는 수백 초 노출로 찍은 희미한 히포캄프 영상을 최대 37분(2200초)의 긴 노출로 찍은 것과 같은 밝은 영상으로 만들었다. 연구팀은 같은 방법을 활용해 보이저 2호의 촬영 이후 지상에서 관측되지 않던 해왕성 가장 안쪽에 위치한 지름 66km의 소형 위성 ‘나이아드’를 재발견하는 부수적 성과도 얻었다.

연구팀은 “트리톤과 해왕성 사이의 위성들이 충돌로 형성됐다는 기존 이론을 뒷받침하는 연구 결과”라며 의의를 설명했다. 출처/동아사이언스