매일매일 조금씩 모습을 바꿔가며 밤하늘을 환히 밝혀주는 천체, 바로 달입니다. 달은 지구에서 가장 가까운 천체이자 지구 주위를 돌고 있는 단 하나뿐인 위성이죠. 그런데 최근, 하늘에 달이 두 개가 됐다는 소식이 전해졌어요. 어떻게 이런 일이 벌어진 걸까요. 지구에 새로운 위성이 생긴 걸까요. 그렇다면 위성은 대체 뭘까요. 꼬리에 꼬리를 무는 궁금증을 풀기 위해 소중 학생기자단이 서울 노원천문우주과학관에 찾아갔습니다.

지난 9월, 미국 천문학회(AAS)가 발간하는 국제 학술지 ‘리서치 노트’에는 흥미로운 연구 결과가 실렸습니다. 2024년 9월 29일부터 11월 25일까지 약 2달간 지구에 ‘미니 달’(Mini-moon)이 생긴다는 거예요. 44억 년이 넘도록 지구와 함께한 달과 달리 잠시 머물다 가는 새로운 작은 달의 정체는 바로 소행성입니다. 올가을 미니 달이 된 소행성의 이름은 2024PT5예요.  
지구가 행성인 건 아는데, 소행성은 뭔지 궁금해하는 소중 학생기자단에게 이호준 노원천문우주과학관 교육팀장은 먼저 행성의 정의를 알려줬죠. 국제천문연맹(IAU)이 2006년 8월 24일 정의한 행성은 ①태양의 주위를 돌고 있어야 하고 ②자체 중력이 강체력을 극복함으로써 유체역학적 평형의 모양(거의 둥근 모양)을 가질 정도로 충분한 질량을 가져야 하며 ③공전 궤도 주변 물질을 깨끗이 청소한 천체입니다. 간단히 말하면 태양 주위를 돌 때 지구처럼 공전 궤도를 혼자서 도는 둥근 천체라고 할 수 있죠.

“사실 이렇게 자세히 정의된 건 행성 정도예요. 소행성은 태양을 도는 작은 천체고, 위성은 행성의 주변을 돈다는 것 외에 명확하게 정의된 게 없죠.” 이 팀장의 말에 원지민·이윤슬·전상윤·조현하 학생기자는 “그럼 2024PT5는 달이 아니야” “그래도 지구를 도니까 달인 것 아닐까” “두 달만 달일지도”라며 의견을 나눴어요. “이번 2024PT5는 56.6일간 지구를 공전하는데, 이처럼 우주를 지나다 지구 중력장 내로 들어와 잠시 지구 주위를 공전하는 소행성을 천문학계에선 미니 달이라고 하죠. 잠깐 머물렀다 떠나는 달이에요.”

“소행성이 어떻게 달이 된 건가요.” 현하 학생기자가 묻자 이 팀장은 “우주에는 여러 가지 힘이 작용하고 있다”고 설명을 시작했죠. “우주에는 다양한 힘이 작용하고, 행성이 돌기 위해 필요한 힘 중에는 중력이 있어요. 중력을 흔히 지구가 우리를 끌어당기는 힘으로 알고 있는데, 사실 중력, 즉 만유인력은 지구와 우리를 포함한 질량이 있는 모든 물체가 서로를 끌어당기는 힘이에요. 지구는 우리보다 훨씬 크기 때문에 우리가 지구를 끌어당겨 봤자 지구는 움직이지 않고, 우리는 지구에 끌어 당겨져 지구 위에 발붙이고 살 수 있죠. 이처럼 강대한 지구의 중력에 주변을 지나가던 소행성이 끌어 당겨져서 지구 주변을 돌게 된 거예요. 하지만 원래 가던 길로 가려던 힘도 여전히 작용해 잠깐 머물다 떠나는 거죠.”

상윤 학생기자가 약간 다급히 말을 이었어요. “떠나게 되면 어디로 가게 되나요? 혹시 지구로 떨어지지는 않죠?” “그럼 큰일이 나겠지만 그럴 가능성은 희박해요. 2024PT5는 아모르 소행성군의 본래 궤도로 돌아갈 가능성이 큽니다. 정확히 어디로 갈지는 모르지만 2025년과 2050년에 다시 지구에 방문할 것으로 보여요.”
“물체끼리 서로 끌어당기는 힘이 작용해 생긴 미니 달이 떠나지 않고 머물러 진짜로 두 번째 달이 될 수도 있나요.” 지민 학생기자가 묻자 이 팀장은 “태양을 돌다 지구에 가까워지며 지구 중력의 영향권에 들어왔지만 반대로 멀어지면 벗어나게 된다”며 이 역시 가능성이 희박하다고 했죠. 2024PT5가 첫 번째 미니 달도 아닙니다. 이전에도 이렇게 소행성이 미니 달이 되는 경우가 있었죠. 이 팀장이 앞서 미니 달이었던 2020CD3과 2022NX1을 예로 들며 소행성 이름 짓는 법을 알려줬어요. 앞의 4자리 숫자는 발견된 연도, 그 뒤에 붙는 첫 번째 알파벳은 발견된 월일(I를 빼고 15일 단위로 나눔), 두 번째 알파벳은 발견된 순서(I를 빼고 A~Z=1~25), 그 뒤의 숫자도 발견된 순서(1=25, 2=50…N=n×25)예요. 즉, 2024PT5는 2024년 8월 1~15일 사이 발견된 144번째 소행성인 거죠.


좀 더 살펴보면 2024PT5는 앞서 8월 7일 남아프리카공화국에 있는 미국 항공우주국(NASA) 지원시설 소행성지구충돌최종경보시스템(ATLAS)이 처음으로 발견했어요. 태양을 공전하다 지구 중력에 일시적으로 사로잡히게 된 2024PT5가 지구에 가장 가까이 온 건 8월 8일입니다. 이후 8월 18일 지구근접물체연구센터(CNEOS)는 지구 충돌의 위험이 전혀 없다고 판단하고 2024PT5를 위험목록에서 삭제했어요.
윤슬 학생기자는 두 번째 달이 왜 밤하늘에 안 보이는지, 어떻게 하면 볼 수 있는지, 그 크기는 어떤지 궁금해했죠. “2024PT5는 엄청 작고 어두운 데다 멀리 있어서 도심에서는 보기 힘들어요. 전문적인 관측 장비가 필요하죠. 우리가 뭔가를 보기 위해서는 빛이 필요합니다. 지금 윤슬 학생기자가 입은 윗옷을 분홍빛으로 보는 건 옷에 닿은 빛 중에서 분홍빛이 튕겨져 나와 그렇게 보이는 거예요. 천문학자들은 천체의 밝기에 따라 겉보기 등급을 정했습니다. 1등급과 2등급의 밝기는 약 2.5배 차이가 나요. 그렇게 따져보면 3등급과는 약 6.25배, 5등급과는 100배 차이가 나죠. 2024PT5는 22등급 정도 돼요.”   

2024PT5가 지구 중심 궤도에 진입한 9월 29일 지구와의 거리는 약 344만㎞인데요. 지구와 달 사이의 거리는 평균 38만4400㎞입니다. 달은 지름이 약 3475㎞인 반면 미니 달인 2024PT5 길이는 33피트로 약 10m에 불과하죠. 우리나라 시내버스 길이가 보통 10~11m니까 버스보다 약간 작은 크기라고 할 수 있어요. 달에 비하면 엄청 작은 데다 훨씬 멀리 있어 일반적인 아마추어 망원경이나 쌍안경으로는 볼 수 없죠. 우리가 직접 눈으로 볼 수는 없지만 2024PT5의 위치를 추적하는 천문 관련 웹사이트·유튜브 등을 참고할 수 있습니다.
“위성과 소행성은 어떻게 다른가요.” 현하 학생기자의 말에 이 팀장은 “크게 위치(궤도)와 크기 차이가 있다”고 했죠. “앞서 말했듯 위성은 행성의 주변을 도는데, 소행성은 태양을 중심으로 돌죠. 위성은 달처럼 크고 둥근 편이고, 소행성은 작고 찌그러진 모양이 대부분이에요. 2024PT5 길이가 약 10m인데 그보다 작은 소행성도 있죠. 수도 엄청나게 많아요.”

NASA에 따르면 소행성은 약 46억 년 전 태양계가 형성될 당시 남은 암석과 얼음, 금속 덩어리 등의 잔해로 구성됐어요. 소행성은 1801년 이탈리아의 천문학자 피아치가 화성과 목성 사이에서 세레스를 발견하며 알려졌죠. 그 후로도 계속 비슷한 궤도 위치에서 소행성들이 발견돼 화성과 목성 사이 지역을 소행성대(Asteroid belt)라고 합니다. 기술이 발전하며 현재는 더 많은 곳에서 소행성을 발견하고 있죠.
지민 학생기자가 “소행성은 화성과 목성 사이에 많다던데, 2024PT5도 거기서 왔나요”라고 묻자 이 팀장은 소행성대의 위치 사진을 보여줬죠. “소행성대가 화성과 목성 사이에 생긴 이유 중 유력한 가설은 목성의 중력으로 인해 자기들끼리 뭉쳐져 행성으로 성장하지 못한 소행성들이 지속해서 태양을 공전하며 그 자리에 분포하게 됐다는 거예요. 그중엔 목성과 거의 같은 궤도를 도는 소행성들이 두 집단 있는데, 이를 트로이 소행성군이라고 하죠.”

이어 소행성의 무리 중 몇 가지를 소개했어요. 태양과 지구 사이에 있는 아티라 소행성군, 태양과 지구 사이에 주로 공전 궤도가 위치한 아텐 소행성군, 지구 공전 궤도보다 더 크게 타원 궤도로 태양을 도는 아폴로 소행성군, 지구 공전 궤도 바깥에서 태양을 돌며 화성의 공전 궤도를 가로지르는 아모르 소행성군 등이죠. 그중 2024PT5는 아모르 소행성군에 속해요. 태양을 크게 돌다 이번에 지구에 붙잡히면서 긴 타원형의 경로로 지구를 돌아 나가죠. 이 팀장은 밤하늘 별자리를 통해 2024PT5의 위치를 알려줬는데, 작은곰자리 근처를 지나고 있다고 합니다.
상윤 학생기자가 “소행성들이 각각의 궤도를 돌 텐데, 일정한 규칙이 있는지, 또 돌면서 충돌할 위험은 없는지” 궁금해했죠. “소행성이라고 뭉뚱그려 부르고 있지만, 이처럼 작은 천체는 너무나도 많아서 기준이 될 만한 규칙은 아직 발견되지 않았어요. 태양이나 목성 등 강한 중력을 가진 천체의 영향을 받는데, 궤도의 주기성은 아직 밝혀지지 않았죠. 소행성은 작기 때문에 서로 충돌하면 부서지는 경우가 많아요. 이때 자기들끼리 뭉쳐지면 행성이 될 수도 있는데, 현재로써는 목성 등의 간섭으로 가능성이 희박하죠. 부서진 조각들은 일부 충격으로 튕겨 나가 다른 궤도로 가기도 해요.”

“소행성이 미니 달이 된 것처럼, 달도 어떤 소행성이 날아와서 달이 된 걸까요? 위성은 왜 생기고, 달은 언제 어떻게 지구의 위성이 됐나요?” 윤슬 학생기자의 질문에 이 팀장은 노원천문우주과학관 3층 빅히스토리관으로 안내했어요. 이곳에선 우주의 탄생부터 현재까지 우주와 지구, 생명 진화의 역사를 살펴볼 수 있죠. 138억 년 전 빅뱅으로부터 88억 년 후 우리은하 변두리에서 별이 하나 죽으며 초신성 폭발을 일으켰는데요. 그 충격파로 성운이 뭉치며 중심에서 태양이 만들어졌고, 주변 가스와 먼지는 원반을 이루며 이후 태양계 식구들을 만드는 재료가 됐죠. 92억 년이 지나면 지구가, 93억 년이 지나면 달이 탄생해요. 이 팀장은 달 탄생 관련 현재 최신 이론을 소개했습니다.  
원시 태양계에는 우리가 잘 아는 수성·금성·지구·화성·목성·토성·천왕성·해왕성의 8개 행성 외에도 수많은 미행성이 있었는데요. 그중 ‘테이아’라고 하는 지구 절반 크기의 미행성이 지구와 대충돌을 일으켰고, 파편 일부는 지구에 흡수되고 나머지는 중력에 이끌려 지구 주위를 돌다가 서로 뭉쳐 달이 되었다고 합니다. “놀라운 건 달 형성 시뮬레이션 연구 결과, 테이아와 충돌 후 달이 만들어지는 데 약 35시간밖에 안 걸렸다고 해요.”

소중 학생기자단은 터치스크린 기기로 지구와 달의 탄생을 체험해 봤죠. 먼저 날아다니는 소행성을 손으로 밀어 원시행성을 향해 날려 폭발시키면서 성장시켜 원시지구를 만든 다음, 주변의 소행성을 뭉쳐 테이아를 만들고 지구와 충돌시켜 달을 만드는 거죠. 열심히 소행성들을 날리고 모아 키웠지만 처음엔 실패하고 말았어요. 지구와 달이 얼마나 희박한 확률로 만들어졌는지 간접적으로 느낄 수 있었죠.
지구의 유일한 자연 위성인 달에는 흥미로운 사실이 여럿 있습니다. 먼저 달과 지구 사이의 거리는 평균 38만4400㎞인데, 이는 지구와 태양 사이 거리의 400분의 1에 해당해요. 달의 지름이 태양의 400분의 1이라 달과 태양은 같은 겉보기 크기를 갖죠. 따라서 달이 태양을 완전히 가리는 개기일식이 나타나게 돼요. 또 달은 스스로 빛을 내는 게 아니라 태양 빛을 반사하므로, 달·태양·지구의 위치에 따라 초승달·상현달·보름달·하현달·그믐달 등 다른 모습으로 보입니다. 달은 태양계 위성 중 5번째로 크지만, 행성에 대한 비율로 따지면 가장 크죠. 또 공전주기와 자전주기가 27.3일로 같아 우리는 늘 달의 한쪽 면밖에 볼 수 없는데요. 아주 오랜 시간이 지나면 지구의 자전주기와 달의 공전주기가 같아져 지구 한쪽에서는 언제나 달을 볼 수 있고, 반대쪽에서는 달을 볼 수 없게 됩니다.

지민 학생기자가 “달은 지구의 위성으로 어떤 역할을 하는지, 달이 두 개가 되면 뭐가 달라지는지” 궁금해했어요. “달의 역할 중 크게 중요한 두 가지를 알려줄게요. 먼저 조석력(기조력)이라고 해서 조석을 일으키는 힘이 있어요. 조석은 하루에 두 번씩 바닷물이 해안에 밀려 들어왔다가 다시 멀리 물러가는 현상이죠. 달과 지구는 만유인력으로 서로를 끌어당기는데, 그 힘이 작용하는 크기와 방향은 달과 지구 사이의 거리와 질량에 따라 조금씩 달라져 지구상의 각 지점에서 조금씩 다르게 나타나요. 즉 달과 가까운 쪽 표면은 달 쪽으로, 반대쪽 표면은 달과 반대쪽으로 잡아당기는 힘이 작용하죠. 이때 달보다 훨씬 크고 무거운 지구의 땅은 크게 모양이 달라지지 않지만, 바닷물에는 유효해서 밀물과 썰물이 생기는 거예요.”
지구는 23.5도의 자전축을 중심으로 하루에 한 번 자전하는데요. 이렇게 약간 기울어져 있기에 태양 빛이 지구에 골고루 퍼지고 정기적으로 계절이 바뀌어요. 지구가 자전축을 안정적으로 유지하는 것은 달의 인력 덕분이죠. 이 팀장은 “만약 달이 두 개가 된다면 인력 또한 달라져 조석력도 지금처럼 작용하지 않고, 지구 자전축도 불안정해질 수 있어요. 혼란스러워지고 예측하기 어려워지는 거예요. 제대로 시뮬레이션해보진 않았지만 그럼 지구의 순환이 제대로 이뤄지지 않아 지구상의 모든 생명은 큰 타격을 입을 수 있죠”라고 덧붙였어요. 소중 학생기자단은 달의 역할이 생각보다 더 대단하다며 감탄했죠.

“미니 달이 지구를 돌다 떠나는 것처럼, 달도 지구 궤도에서 벗어나 날아가 버릴 수도 있을까요.” 현하 학생기자의 질문에 이 팀장은 “사실 지금도 달은 지구에서 조금씩 멀어지고 있다”고 답했죠. 소중 학생기자단이 놀라자 “하지만 1년에 약 3.8㎝ 정도로 미미한 정도라서 앞으로 몇십억 년 정도는 지구 중력에서 벗어나긴 힘들 것”이라고 말을 이었죠.  
지민 학생기자는 “지구는 위성이 달 하나인데, 태양계 다른 행성은 아예 없거나 여럿인 경우가 있더라고요. 왜 이런 차이가 생기나요”라고 물었어요. “태양의 영향, 거리와 행성 크기 문제가 있어요. 태양은 지구의 109배 큰 데다, 가만히 있는 게 아니라 계속 폭발을 일으키며 태양풍 등 밖으로 내뿜는 힘이 세요. 태양과 가까운 수성과 금성은 크기도 지구보다 작고 그 힘을 견디며 위성을 붙잡고 있을 힘이 부족해 위성이 없죠. 반면 목성과 토성은 각각 지구의 11.2배, 9.4배 커 그만큼 힘이 센 데다 태양과 멀리 있다 보니 영향을 덜 받아 주변 소행성을 여럿 붙잡아 위성을 수십 개씩 거느릴 수 있는 거예요.”

“자원이 풍부한 소행성도 있다던데, 그걸 어떻게 아나요. 미니 달처럼 소행성이 지구 근처로 오면 자원을 캘 수 있는지, 지구 근처로 온 소행성이 지구로 떨어지지는 않는지 궁금해요.” 상윤 학생기자의 말에 이 팀장은 “소행성은 태양 빛이 반사돼 나온 스펙트럼을 관찰해 크게 탄소가 많은 C형, 철·니켈이 많은 M형, 규산철·규산마그네슘 등이 많은 S형으로 나눈다”며 원소 스펙트럼을 관찰하는 전시물로 이끌었어요. 원소마다 고유의 특징을 가지는데, 분광관측을 통해 소행성의 원소를 구분할 수 있죠. 소중 학생기자단은 분광기로 헬륨·수소·네온·아르곤·질소 등의 스펙트럼을 확인했습니다.  
“중요한 금속원소가 많은 소행성은 포획하면 좋겠지만, 미니 달처럼 지구에 가까이 왔다고 해도 달보다 훨씬 멀리 있고 아직은 기술이 부족해 지구에서 캐서 쓰는 게 훨씬 효율적이에요. 지구에 잡아당겨져 오는 소행성 중 충돌 위험이 있을 법한 경우에 대비해 소행성지구충돌최종경보시스템·지구근접물체연구센터 등이 많이 탐사·연구하고 있죠. 2024PT5도 거기서 처음 발견했고요.”

소중 학생기자단은 소행성이나 혜성 등의 파편이 지구에 떨어진 잔해, 운석도 관찰했습니다. 태양계가 탄생할 때 만들어진 소행성은 진공 상태인 우주에 있기 때문에 변형이 거의 일어나지 않아 태양계의 초기 정보를 간직한 채 돌아다니는데요. 중력에 이끌려 지구로 떨어져 대기권에서 타고 남은 잔해가 지상에 도달하면 운석이 되죠. 노원천문우주과학관에는 실제 운석이 있어요. 철과 니켈이 많이 들어있는 철질 운석이라 자석이 착착 달라붙고 냄새를 맡으면 금속 냄새가 났죠. 이어 태양계 증강현실(AR) 코너에서 태양계 행성들과 소행성 등의 카드를 활용해 실제 모습과 위성, 궤도를 관찰했어요.  
윤슬 학생기자는 명왕성이 태양계 행성 목록에서 빠지게 된 이유를 궁금해했죠. “아까 배운 행성의 정의를 떠올려보세요. 명왕성은 어떤 조건을 충족하지 못했을까요?” 이 팀장의 질문에 소중 학생기자단은 “3번이요”라고 입을 모았죠. “맞아요. 명왕성은 태양을 공전하고 둥근 모양이지만, 그 위성인 카론의 영향으로 지배권이 약하고 궤도가 불안정해 국제천문연맹이 명왕성을 행성이 아닌 행성의 특징을 일부 공유하는 왜소행성(Dwarf planets)으로 분류했죠. 명왕성과 함께 처음으로 발견된 소행성인 세레스도 왜소행성이 됐어요.”

소중 학생기자단은 마지막으로 천체투영실로 향했습니다. 누워서 밤하늘을 보듯 달에 관한 영상 ‘투 더 문(To the Moon)’을 보며 달의 바다를 계수나무와 떡방아 찧는 토끼로 여겼던 우리나라 설화부터 달이 지구와 다른 점, 달의 특징 등을 살펴봤죠. 달에서부터 소행성까지의 우주여행을 마친 소중 학생기자단은 다양한 궁금증을 풀며 새로운 사실을 많이 알게 됐다며 다시 한번 달과 소행성, 태양계 관련 게임·체험 등 전시물을 섭렵하러 떠났답니다.  
동행취재=원지민(경기도 동탄목동초 4)·이윤슬(서울 언주초 5)·전상윤(경기도 낙생초 4)·조현하(서울 성내초 5) 학생기자