혜성의 비밀을 풀어가는 과학자들의 연구를 통해 혜성이 얼음으로 이루어져 태양 근처를 지날 때마다 물질을 잃고 이 과정에서 아름다운 코마와 꼬리를 형성한다는 사실이 밝혀졌습니다. 혜성의 변화에 대한 흥미로운 설명이 담겨 있습니다. 휘플의 얼음 모형과 대기와 물의 상태 변화와 슈바스만-바흐만 1 혜성의 미스터리한 폭발 현상에 대해 알아보겠습니다.
휘플의 얼음 모형
휘플을 비롯한 과학자들은 혜성이 얼음으로 만들어지면 엄청난 양의 분자와 작은 입자를 공급하여 코마와 꼬리를 만들 수 있다는 사실을 입증했습니다. 혜성의 핵은 아마도 근일점을 지날 때마다 1미터 이상의 물질을 잃게 될 것입니다. 만약 혜성이 반지름 1킬로미터로 출발했다면 근일점을 1,000번 지나며 그 물질을 모두 소진했을 것입니다. 남은 것은 비휘발성 광물 알갱이와 같은 물질이었고 그중 일부는 지구에서 노력했기 때문에 유성우가 되었을 수도 있습니다. 두 혜성 모두 지구 궤도 근처에 있지만 근일점과 태양 사이의 공전 주기가 다른 두 혜성을 생각해 봅시다. 그중 하나가 짧은 주기의 혜성이라고 가정해 보면 혜성이 내행성계에 도달한 순간부터 완전히 증발하여 유성으로 바뀔 때까지 5,000년이 걸립니다. 그러나 100년 주기의 긴 주기의 혜성은 휘발성 물질을 모두 잃기까지 10만 년이 걸립니다. 만약 주변성을 통과할 때마다 햇빛에 직접 노출되는 새로운 얼음 표면이 있다면 이것이 혜성의 일반적인 기대 수명입니다. 혜성이 주변성을 통과할 때마다 얇은 층이 벗겨지고 결국 아무것도 남지 않게 됩니다. 따라서 라플라스 등의 계산에 따르면 짧은 주기의 혜성 개체군은 더 먼 혜성 창고에서 채워져야 합니다. 휘플은 더러운 얼음 모형이 엥케 같은 혜성의 기이한 비중력 운동을 가장 자연스럽게 설명할 수 있다는 것도 알아냈습니다. 공기로 가득 찬 장난감 풍선의 주둥이를 묶어서 떨어뜨립니다. 공기로 채워진 장난감 풍선의 주둥이를 묶어 떨어뜨려 봅니다. 풍선의 아래쪽 궤도는 느리고 일정합니다. 하지만 같은 풍선의 주둥이를 엄지와 검지로 눌러 막은 채로 머리 위에 들고 있다가 손을 놓으면 풍선이 갑자기 돌아 거친 소리를 내면서 방 안을 가로질러 날아갑니다. 이것이 바로 로켓 효과입니다. 공기가 주둥이를 통해 빠져나가면서 풍선은 반대 방향으로 질주합니다. 그 원리는 뉴턴의 운동 제3법칙입니다. 다시 말해서 모든 행동은 크기는 같지만 방향은 반대인 반응을 보입니다. 휘플이 표현하는 혜성은 빛나는 꼬리를 가진 아름다운 천체가 아니라 태양의 영향을 받아 역동적으로 변하는 복잡한 체계입니다. 혜성의 중심부가 얼음과 먼지로 구성되어 있고 태양에 가까워지면서 녹고 기화되어 혜성의 물리적 특성과 궤도의 변화에 대한 중요한 단서를 알려줍니다.
대기와 물의 상태 변화: 지구와 혜성 비교
우리가 흔히 보는 물의 얼음 형태는 육각형의 결정격자로 겨울 거리의 눈, 빙산, 빙하, 얼음 등 지구상에서 널리 발견됩니다. 이 구조는 얼음을 액체 상태의 물보다 밀도가 떨어지게 만드는 중요한 역할을 합니다. 액체 상태의 물 분자는 빠르게 움직이고 충돌하기 때문에 얼음 정렬 구조를 형성하기가 어렵습니다. 그러나 온도가 내려가면 물 분자가 느려지고 인접한 물 분자 사이에 결합이 형성되어 얼음이 액체 상태의 물보다 밀도가 낮아집니다. 이러한 성질은 독특하게 액체 상태의 물을 띄울 수 있게 하여 얼음이 얼었을 때 팽창하는 현상을 설명합니다. 고체가 되면 액체보다 밀도가 높아져서 가라앉는 물질이 많은데 물은 그 반대의 성질을 가지고 있습니다. 이런 독특한 성질 때문에 암모니아나 메탄처럼 탄화수소를 주 액체로 하는 행성에서는 물과 같은 현상을 경험할 수 없습니다. 또한 얼음이 증기로 직접 증발하지 않고 중간 정도의 액체 상태를 유지하기 위해서는 대기의 존재가 필요합니다. 혜성의 중심부에 액체 상태의 물이 존재할 수 없는 이유 중 하나는 대기가 없는 환경에서는 액체 상태를 유지할 수 없기 때문입니다. 코마가 가장 활동적인 상태라고 해도 혜성의 중심부는 거의 진공 상태이기 때문입니다. 만약 혜성 내부의 열원이 햇빛뿐이라면 내부로 깊숙이 들어갈수록 온도는 낮아집니다. 따라서 혜성의 중심부 깊은 곳에 액체 상태의 물이나 지하 바다가 존재할 가능성은 혜성의 생명체에 대한 연구와 밀접한 관련이 있습니다.
슈바스만-바흐만 1 혜성의 미스터리한 폭발 현상
혜성에 대한 설명과 사례 중에서 슈바스만-바흐만 1 혜성이 더 주목을 받고 있습니다. 우리 태양계 내에서 목성과 토성 사이의 거대한 궤도를 따라 이동하면서 때로는 밝기가 평소보다 수천 배나 증가하는 놀라운 폭발을 보이기도 합니다. 이런 현상은 천문학계에 많은 호기심을 불러일으키며 그 원인에 대해 다양한 가설이 제시되고 있지만 아직 명확히 밝혀진 바가 없습니다. 일부 이론가들은 혜성 내부에 있는 특수한 종류의 얼음이 태양으로부터 받은 열에 의해 가열, 증발되어 그 과정에서 많은 양의 수증기가 혜성 표면에서 분출된다고 주장합니다. 이 수증기의 분출로 인해 혜성 주변에 얼음과 먼지의 미세한 입자들이 일시적으로 뭉쳐 거대한 구름처럼 보입니다. 이때 생성된 구름은 햇빛을 반사하여 혜성이 평소보다 훨씬 밝게 보입니다. 또 다른 관점에서는 왜 혜성이 태양계의 해당 지역에 그렇게 오랫동안 머물러 있으면서도 표면에 특수한 형태의 얼음이 남아 있는지에 대한 의문을 제기합니다. 이에 대한 한 가지 설명은 혜성이 궤도를 유지하면서 거대한 천체에 충돌하거나 혜성 자체 내부의 복잡한 성분들과 상호작용할 때 폭발이 일어날 수 있다는 것입니다. 비록 슈바스만-바흐만 1호 혜성의 폭발은 여전히 많은 수수께끼를 던져주고 있지만 그것은 우리로 하여금 외계 행성계의 다른 천체들에 대한 새로운 관점을 갖도록 해줄 것입니다. 예를 들어 토성과 천왕성 사이에 위치한 키론과 거대 행성의 차가운 위성들도 비슷한 현상을 경험할 수 있습니다. 만약 이 천체들이 어느 날 갑자기 밝아진다면 그것은 우리에게 태양계의 복잡한 행동과 구조에 대한 새로운 이해를 제공할 것입니다. 이처럼 혜성의 고유한 특성과 행동은 먼 우주의 다른 천체를 연구하는 데 중요한 역할을 하며 태양계 안팎의 천체에 대한 우리의 지식과 이해를 더욱 확장시킬 수 있는 귀중한 정보를 얻습니다.