천문학 - ISON 혜성(C/2012 S1)에선 무슨 일이 일어나고 있을까?

지난 11월 13~14일(한국시 기준), ISON 혜성이 24시간만에 2등급 이상 밝아지는 갑작스런 증광(Outburst) 현상이 일어났습니다. 이전까지 7.5~8등급 정도에 작고 조그맣게 보이던 혜성은 하루 아침에 맨눈으로도 볼 수 있는 6등급 초반대로 밝아졌고(17일 기준으로는 4등급 후반대까지 밝아졌다는 보고도 있습니다), 꼬리도 갑자기 길고 화려해져서, 최근 촬영된 사진(17일)에는 무려 7도에 이릅니다. 잠잠하던 거인이 갑자기 깨어난 것처럼 보이는데요, 이 혜성에는 무슨 일이 벌어지고 있는 것일까요?

▲ outburst 이후의 ISON 혜성(촬영 : Waldemar Skorupa, 촬영일 : 2013. 11. 16. 13시 KST, 출처 : http://spaceweathergallery.com/indiv_upload.php?upload_id=89753 )

올해 4월 이 혜성의 지름은 약 5km 정도로 추정된다는 보고가 있었습니다. 이는 미국의 Swift 위성을 이용하여 관측된 먼지 방출량 자료로 추산한 크기입니다. 그러나 지금은 허블우주망원경과 스피처 위성 등을 이용한 후속 관측 결과 혜성의 크기는 초기의 예상보다 작은 0.5~2km 사이일 것으로 추정하고 있습니다. 이 정도면 혜성으로는 평균 정도이거나 조금 작은 축에 듭니다. 이 혜성이 얼마나 활동적인지는 확실치 않으나 발견 초기에는 꽤 활발했던 것 같습니다. 어떤 현상이 있었는지 구체적으로 알 수는 없지만, 6.7AU의 거리에 있는 혜성으로는 밝은 편에 속했고, 이것이 바로 지난해 이 혜성을 두고 "세기의 대혜성"이라는 예측을 낳게 했던 원인이었으니까요. 그러나 올해 3월 무렵부터 밝기의 증가가 꺾였고, 바로 얼마 전까지만 하더라도 별다른 특징 없는 잠잠한 상태를 유지하고 있었습니다. 잠잠한 정도가 아니라 가까이 다가올수록 활동이 둔해진다는 느낌을 받을 정도였으니까요. 혜성의 절대등급은 발견 초기에는 5~6등급 정도로 상당히 밝았지만, 바로 며칠 전까지는 8~9등급으로 낮춘 상태였지요. 혜성이 태양에 점점 접근해서 0.7AU까지 접근했을 때에도 초기의 예상보다 2~3등급이나 낮은, 작고 어두운 상태를 유지하고 있었으니까요.

혜성의 활동도 특이한 편이었는데, 혜성은 통상 태양으로부터 2.5~3AU 정도에 있는 빙결선(frost line) 안쪽으로 들어오면 수증기 분출이 왕성해지는 경향이 있는데 ISON 혜성에서는 아무런 변화도 나타나지 않았습니다. 혜성으로서는 예외적인 상태입니다. 무엇인지 알 수는 없지만 이상한 행동을 보이는 혜성인 것이죠.

▲ ISON 혜성의 밝기 변화. 태양에 가까워질수록 오히려 활동이 둔해지는 양상을 보여줍니다(출처 : 참고자료 8, http://digilander.libero.it/infosis/homepage/astronomia/c2012s1.htm ).

그러다 혜성이 태양에 0.67AU까지 가까워졌던 지난 14일, 갑자기 밝아졌습니다. 하루 아침에 2등급이 밝아져서 맨눈으로도 보일 정도가 되었고, 꼬리도 무척 길고 복잡한 모습을 보여주고 있지요. 수증기의 분출량은 outburst 이전과 비교해서 2배 이상으로 늘어난 것으로 보입니다.

결론부터 말하자면 이 혜성에 어떤 일이 일어났는지는 아무도 모릅니다.

몇 가지 가능성이 있는데요, 하나는 태양에 근접하면서 신선한 얼음층이 드러났다는 것입니다. 만약 그렇다면 얼음층이 다 증발할 때까지 밝아진 상태를 유지하겠지요. 다른 가능성은 핵이 둘로 분열되는 것입니다. 혜성이 약한 구조로 이루어져있다면 태양에 가열되면서 핵이 둘 또는 그 이상으로 나누어질 가능성이 있습니다. 이 경우라면 새로운 층이 노출되면서 갑자기 밝아질 수 있습니다. 세번쨰 가능성은 핵이 여러 개로 쪼개지는 정도를 넘어 혜성 자체가 분해(disintegrating)되는 것인데요, 혜성이 생애의 마지막을 보내면서 전체가 증발하는 것이기 떄문에 갑자기 활동이 활발해지고 밝아집니다.

셋 중 ISON 혜성이 정확히 어떤 상태인지는 알 수 없습니다. 지금은 혜성을 둘러싼 가스 때문에 핵이 어떻게 되었는지 자세히 관측하기가 곤란합니다. 지금까지의 사진을 볼 때 아직까지는 핵이 쪼개지면서 분해되고 있다는 증거는 없지만, outburst가 발생한지 이제 겨우 2~3일 정도 되었으므로 그렇지 않다고 판단하기도 어렵습니다. 다만 밝기의 증가나 꼬리의 복잡한 형태로 볼 때 물질의 방출량이 대폭 증가한 것은 확실하고, 핵에서는 꽤 복잡한 일이 일어나고 있는 것은 분명해 보입니다.

그런데, 이 현상에 대해 Ignacio Ferrin라는 천문학자는 혜성의 밝기 자료를 이용한 분석을 통해 혜성이 분해되고 있을 가능성을 제기하고 있습니다. 이미 지난 10월 초순에 그 가능성을 이야기했죠. 아래 그림은 11월 15일까지의 밝기 자료입니다(출처 : CIOC)

▲ ISON 혜성의 밝기 - 관측과 예상(출처 : CIOC, http://isoncampaign.org/Present )

세로축은 밝기이고, 세로축은 시간입니다. 발견 당시 거리에 비해 꽤 밝았던 혜성은 2012년 10월부터 2012년 1월까지 예상보다 밝은 모습을 보여주고 있습니다. 이 기간 어떤 일이 있었는지는 알 수 없지만, 아웃버스트 현상이 몇 달씩 지속되는 일은 별로 없으므로, 혜성 자체가 크거나 활동이 활발한 것으로 추정하고 있었습니다. 그러나 2013년 3월부터는 밝기가 오히려 감소하는 기현상이 일어납니다. 밝기의 불규칙한 변화가 혜성에서 종종 나타나는 일이긴 하지만, 태양에 점점 접근하는 젊은 혜성이 어두워지는 것은 이해하기가 어렵습니다. 이 밝기 감소는 4월까지도 계속 이어졌고, 이후에는 거리가 가까워지면서 점차 밝아지긴 했지만 예상보다 밝아지는 속도가 많이 느렸습니다. 최근까지도 "세기의 대혜성" 후보라고는 생각하기 어려울 정도로 작고 어두운 모습을 보여 주었죠.

그림을 약간 다르게 그려서 세로축은 밝기, 가로축은 태양으로부터의 거리로 나타내면 혜성의 특징이 조금 더 분명해집니다. Secular Light Curve라고 부르는 그래프입니다.

▲ ISON 혜성의 Secular Light Curve(출처 : http://astronomia.udea.edu.co/cometspage/ )

이 그래프에는 2013년 10월 12일까지의 관측자료를 바탕으로 그린 것이라 최근의 outburst 현상은 반영되어 있지 않습니다. 이 그래프 하나만 보면 태양과의 거리가 2.3AU 부근일 때 밝기의 불연속이 나타나는 것을 제외한다면 별다른 것을 알 수 없습니다. 그렇지만 다른 혜성의 것과 비교하면 차이를 금방 알 수 있는데요, 유명한 핼리혜성의 것과 비교해보겠습니다.

1P LOG ASTRONOMY 131006.JPG

▲ 핼리혜성의 Secular Light Curve(출처 : http://astronomia.udea.edu.co/cometspage/ )

이런 그림이 보통의 혜성에서 나타나는 모습입니다. 밝기 불연속이 나타나긴 하지만, 하강곡선을 그리지는 않습니다. 밝기의 증가가 둔화되는 정도죠. 2013년 봄에 찾아왔던 C/2011 L4 PanStarrs 혜성도 더 어둡다는 것만 뺴면 핼리혜성과 크게 다르지 않습니다. 다른 혜성의 것도 보고싶다면 "ATLAS OF SECULAR LIGHT CURVES OF COMETS" 논문(참고자료 10)을 살펴보기 바랍니다. 핼리혜성과 크게 다르지 않습니다.

▲ C/2011 L4 Panstarrs 혜성과 핼리혜성의 Secular Light Curve 비교(출처 : 참고자료 9, http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1302/1302.4621.pdf ). 참고로 Ignacio Ferrin은 이 논문에서 ISON 혜성의 초기 관측 자료를 이용해 근일점 통과 시의 밝기가 -17등급에 이를 수도 있다는 예측을 했습니다.

두 혜성과 비교하면 ISON 혜성의 특이한 점이 발견됩니다. 이러한 특이함이 물리적으로 어떤 현상을 뜻하는지는 분명치 않습니다. 그러나 이런 곡선을 보여준 것 ISON 혜성이 처음은 아닙니다. 이전에 태양에 접근했던 몇몇 혜성에서 이와 유사한 형태의 관측 결과가 나왔는데요, C/2002 O4(Honig), C/1996 Q1(Tabur), C/1999 S4(LINEAR), C/2010 X1(Elenin) 혜성입니다. 이 혜성은 모두 밝기 증가에 불연속(Slope Discontinuity Event, SDE)을 보여준 이후 'U'자 모양의 곡선이 나타났습니다.

▲ ISON 혜성과 비슷한 Secular Light Curve를 보여준 4개의 혜성(출처 : The Comet's Page of Ignacio ferrin, http://astronomia.udea.edu.co/cometspage/ )

4개의 혜성이 모드 SDE 이후에 'U'자 모양의 밝기 변화를 보여주고 있습니다. ISON 혜성과 유사한 특징을 보여주고 있죠. 따라서 이들 4개의 혜성을 조사하면 ISON 혜성이 어떤 상태인지 추정할 수 있습니다. 하나씩 살펴보도록 하죠.

1. C/2002 O4(Honig) : 2002년 7월 하순에 발견되어 2002년 10월 1~2일에 근일점을 지나갈 것으로 예상된 혜성. 발견 당시 12등급이었으나 2002년 8월부터 예상보다 빠르게 밝아져 8월 10일에는 8등급까지 밝아짐. 그러나 8월 중반 이후 혜성이 분해되며 급격하게 어두워지기 시작해 근일점 통과 무렵에는 13등급까지 어두워짐. SDE 이후 54일만에 분해가 일어났음.

2. C/1996 Q1(Tabur) : 1996년 8월 10등급 정도의 밝기로 발견됨. 근일점은 1996년 11월 3일(UT). 발견 이후 점차 밝아지기 시작해 9월에는 예상보다 0.5등급 정도 밝았고, 1996년 10월 상순에는 4.8등급까지 밝아졌으나, 10월 중반 근일점 부근에서 급격히 어두워지기 시작해 근일점 통과 시에는 예상보다 4~5등급 어둡게 관측됨. SDE 이후 90일만에 분해가 일어났음.

3. C/1999 S4(LINEAR) : 1999년 9월 27일 17등급의 혜성으로 발견. 근일점은 2000년 7월 26일. 핵의 지름은 0.9km 로 추정됨. 2000년 6월 예상보다 밝게 관측되었고 7월 5~6일 약한 outburst 현상이 나타남. 2000년 7월 5일부터 핵이 조각나기 시작해, 같은 달 23일 핵은 작은 조각으로 완전히 분해됨. 이후에는 8월까지 핵이 없는 구름 형태로 관측됨.

▲ 허블우주망원경으로 관측한 C/1999 S4(LINEAR) 혜성의 조각난 핵.

4. C/2010 X1(Elenin) : 2010년 12월 10일, 19등급의 어두운 혜성으로 발견됨. 근일점은 2011년 9월 10일. 2011년 8월 19일 태양의 코로나 물질 방출(CME)에 충격을 받은 후 분해되기 시작하여, 밝기가 어두워짐. 앞의 세 혜성과는 다르게 CME의 영향을 받아 분해되기 시작하였음.

이들 혜성에서 보이는 공통점은 혜성으로서의 수명을 다 했다는 것입니다. 넷 모두 태양에 접근하면서 분해되어 사라지거나 표면의 휘발성 물질이 모두 증발해 혜성으로서는 마지막 여정을 마친 것입니다. ISON 혜성은 지금까지의 활동을 보아 이 넷과 비슷한 양상을 보이고 있고, 이를 통해 내릴 수 있는 결론은 혜성으로서 마지막 단계에 접어들었다는 것입니다. 지난 1월의 활발함이나 그 이후에 나타난 270일 동안의 침묵이 죽음을 위한 준비였다면, 며칠전부터 다시 시작된 폭발적인 왕성함은 소멸 직전, 마지막으로 보여주는 몸부림인 셈이죠.

앞으로 혜성이 어떤 모습을 보여줄지는 현재로서는 알 수 없습니다. Ferrin 교수의 예상대로 혜성이 소멸하는 과정이라면 앞으로 며칠동안 밝게 빛나다 11월 하순, 모습을 감추게 되겠지요. 혜성의 작은 조각들이 어둡게 빛나는 모습을 볼 수 있을지는 모르지만, 대형 망원경이 아니라면 관측이 어려울 겁니다. 그렇지만 우리는 혜성의 마지막 모습에 관한 가장 자세한 기록을 가지게 되겠지요.

혜성이 분해가 된다 하더라도 커다란 조각이 남는다면, 근일점에 접근하는 29일까지도 생존이 가능할 겁니다. 핵의 지름이 0.5~2km 정도로 예상되므로 상당한 부분이 소실되더라도 커다란 조각이 남을 가능성은 있습니다. 그러나 근일점을 통과하고 나서도 살아남을 수 있을지는 의문입니다. 예상 궤도로 볼 때 근일점 통과 시의 온도는 섭씨 2700도에 이릅니다. 철도 끓어 증기가 되는 높은 온도죠. 또한 중력으로 인해 붕괴되는 범위인 로쉬한계 이내에 들기 때문에 단단하게 뭉쳐진 천체가 아니라면, 뜨거운 환경이 아니더라도 분해가 됩니다. 이런 극단적인 환경에서 살아남으려면 핵의 지름은 최소한 500m 이상이어야 합니다. 크기가 충분하더라도 소멸 단계의 연약한 핵이 이런 가혹한 환경을 버텨낼 수 있을지는 알 수 없습니다.

근일점 통과 후에도 살아남는다면(일정 크기 이상의 핵이 남아 있다면) 12월 초, ISON 혜성의 밝고 거대한 꼬리를 볼 수 있을 겁니다. "세기의 대혜성"에 가까운 모습을 보는 것이죠.

앞으로 어떤 양상으로 전개될지는 현 시점에서는 알 수 없습니다. Ferrin 교수의 주장은 상당히 설득력이 있고, 지금까지의 모습으로 볼 때 ISON 혜성은 정말로 소멸 과정에 들어선 것인지도 모릅니다. 이 시나리오대로라면 outburst가 끝날 무렵, 혜성의 핵은 커다란 몇 개의 조각으로 나누어지거나, 훨씬 더 작게 분해되어 먼지 덩어리처럼 보이겠지요. 그러나 핵의 크기가 0.5~2km로 제법 커서, 분해된 이후에도 지름이 수백 m를 넘는 상당히 큰 덩어리를 남길 가능성이 있습니다. 이 경우라면 outburst 이후 근일점을 돌아나가면서 만들어지는 거대한 꼬리를 보여줄 수 있겠지요.

어느 경우이든 ISON 혜성은 매우 흥미로운 혜성입니다. 발견 당시부터 "세기의 대혜성" 후보로 거론되며 뭇사람들의 이목을 끌었고, 올해에는 비정상적인 활동으로 학자들의 관심을 받았습니다. 11월 14일부터는 outburst 현상이 생겼지요. 이 혜성이 며칠 후 사라져 시야에서 사라질지, 아니면 12월까지 살아남아 다른 극적인 활동을 보여줄지는 알 수 없습니다.

하고 싶은 말은, 앞일이 어찌될 지 모르니 지금부터 관측을 시작하라는 것입니다.