성간 혜성 3I/ATLAS의 얼음, 해왕성 너머 천체들과 닮았다

성간 혜성 3I/ATLAS에서 흘러나오는 얼음은 우리가 알고 있는 혜성의 얼음과는 다르게 보인다. 제임스 웹 우주망원경의 스펙트럼은 강한 물 얼음 신호와 함께, 통상 그에 동반되는 두 신호가 거의 사라진 모습을 보여준다. 이 패턴은 해왕성 훨씬 바깥을 공전하는 일부 얼음 천체의 특성과 맞아떨어진다.

이 유사성은 3I/ATLAS가 다른 항성 주변에서 태어났다는 점에서 중요하다. 이 혜성의 얼음 알갱이가 우리 태양계 가장자리에 보존된 물질과 같은 형태를 공유한다면, 행성의 원재료는 은하 전역의 행성 형성 원반에서 비슷한 상태로 만들어질 수 있다. 연구진은 이를 확정된 결론이 아니라 검증해야 할 가능성으로 제시한다.

텍사스의 사우스웨스트 연구소 소속 실비아 프로토파파(Silvia Protopapa)가 이끈 연구팀은 혜성 핵을 둘러싼 가스와 먼지 구름인 코마가 먼지와 섞인 미세한 물 얼음 알갱이로 가장 잘 설명된다는 사실을 발견했다. 각 알갱이의 크기는 약 1마이크론 이하로, 사람 머리카락 굵기의 50분의 1에도 못 미친다.

프로토파파는 “성간 혜성은 다른 항성 주변의 가스와 먼지 원반에서 형성된 작은 얼음 천체로, 현재 우리 태양계를 통과하고 있다”고 말했다. 이 천체 이전에 알려진 사례는 단 두 개였다. 가시적인 코마를 보이지 않았던 오우무아무아와 혜성 2I/보리소프다.

사라진 두 가지 얼음 신호

물 얼음은 적외선에서 고유한 지문을 남긴다. 가장 깊은 것은 3마이크론 부근의 흡수대다. 더 약한 두 흡수대는 1.5마이크론과 2.0마이크론 부근에 자리하며, 대부분의 얼음 혜성에서는 세 신호가 모두 나타난다. 3I/ATLAS에서는 3마이크론 흡수대가 강하게 나타났으며, 첫 웹 관측에서는 가장 깊은 지점에서 반사광을 77% 줄였고 마지막 관측에서는 94%까지 줄였다. 반면 더 짧은 파장대의 두 흡수대는 매우 약하거나 나타나지 않았다.

프로토파파는 “그 조합은 수수께끼였다”고 말했다. “강한 3마이크론 흡수대는 코마에 물 얼음이 있다는 점을 가리킨다. 하지만 짧은 파장대의 흡수대가 약하거나 없다는 사실은 그 얼음이 우리가 태양계 혜성에서 보통 관찰하는 형태가 아니라는 점을 시사한다.”

설명은 빛이 통과하는 경로 길이에 있다. 약한 흡수대는 빛이 얼음 내부를 오랫동안 통과할 때에만 나타난다. 얇은 색유리 조각은 거의 투명해 보이지만 두꺼운 유리 블록에서는 색이 드러나는 것과 같은 원리다. 이렇게 작고 먼지가 많은 알갱이에서는 빛이 산란돼 밖으로 되돌아 나오기 전 통과하는 얼음의 양이 매우 적다. 약한 흡수대는 희미해지고, 강한 흡수대만 남는다.

웹이 혜성을 세 차례 읽어낸 방식

이 프로그램의 책임연구자인 NASA 고다드 우주비행센터 및 미국 가톨릭대학교 소속 마틴 코디너(Martin Cordiner)는 “우리는 활동 중인 성간 혜성이 발견되는 순간 즉시 준비를 마치고, 시간에 따라 이를 추적할 수 있도록 이 프로그램을 설계했다”고 말했다.

웹은 태양에 가장 가까이 접근하기 전후 8개월에 걸쳐 근적외선 분광기를 혜성에 세 차례 겨냥했다. 프리즘 모드에서는 0.6~5.3마이크론 범위를 한 번에 기록하기 때문에 먼지와 얼음, 빠져나가는 가스가 하나의 스펙트럼에 함께 담긴다.

모델링이 이뤄진 것은 첫 번째와 세 번째 관측뿐이었다. 태양에 가장 가까웠던 시점에 이뤄진 가운데 관측은 빛나는 수증기, 유기 분자, 니켈 원자, 따뜻한 먼지의 영향으로 오염됐다.

연구팀은 서로 다른 크기와 조성의 알갱이에서 빛이 산란되는 모델과 스펙트럼을 비교했다. 순수 얼음 알갱이와 탄소 또는 감람석이 섞인 얼음은 약한 흡수대를 과도하게 예측하거나 강한 흡수대를 재현하지 못했다. 가장 잘 맞는 모델은 암석과 운석에 흔한 규산염 광물인 휘석이 섞인 얼음이었다. 혜성이 태양에서 멀어지던 마지막 관측 시점에는, 데이터가 여전히 약 1마이크론 크기인 더 크고 얼음이 풍부한 알갱이의 두 번째 집단도 요구했다. 또한 결정질 얼음과 부합하는 3.1마이크론 부근의 희미한 특징도 나타났다.

우리 혜성과는 다르고, 해왕성 너머 천체와는 닮았다

알갱이 크기는 3I/ATLAS를 특별하게 만드는 요인이 아니다. 하틀리 2 혜성은 비슷한 크기의 거의 순수한 얼음 알갱이를 방출하며, 카탈리나 혜성의 얼음 알갱이는 먼지가 최대 1%만 섞인 것으로 모델링됐다. 성간 혜성은 이 범위에서 먼지가 많은 쪽 끝에 놓인다.

프로토파파는 “3I/ATLAS의 알갱이는 우리 혜성의 알갱이와 크기가 거의 같다”고 말했다. “이들을 구분하는 것으로 보이는 것은 얼음에 얼마나 많은 먼지가 섞여 있느냐는 점이다.”

놀라움은 해왕성 너머 천체에서 나왔다. 이들은 해왕성 바깥을 공전하며 태양계 탄생 당시의 물질을 보존하고 있다고 여겨지는 얼음 천체다. 중간 크기 천체를 대상으로 한 웹의 DiSCo 탐사가 정의한 스펙트럼 분류 가운데, 3I/ATLAS의 3마이크론 흡수대는 이산화탄소 얼음이 풍부한 분류와 가장 닮았고, 이들 천체 역시 강한 1.5마이크론 및 2.0마이크론 흡수대를 보이지 않는다. 유사성은 이산화탄소가 아니라 물 얼음 흡수대에 있다.

프로토파파는 “처음 보면 3I/ATLAS는 우리가 알고 있는 얼음 혜성과 달라 보인다”고 말했다. “하지만 이를 우리 태양계의 먼 얼음 세계들과 나란히 놓자 더는 이질적으로 보이지 않았다.”

비교는 반대 방향으로도 적용된다. 먼 천체의 그러한 분류에서 3마이크론의 하강 신호는 약한 물 흡수대가 없었기 때문에 주로 유기 화합물과 메탄올에 기인한 것으로 여겨져 왔다. 이 혜성은 먼지가 섞인 물 얼음 알갱이만으로도 같은 형태를 만들어낼 수 있음을 보여주며, 따라서 그 신호 일부는 결국 물 얼음일 수 있다.

하나의 혜성으로는 결론낼 수 없는 것

이 결과는 실험실 데이터에 기반한다. 모델에는 물 얼음의 측정된 광학 특성이 필요하며, 두 가지 표준 데이터 세트는 눈에 띄게 다른 흡수대 형태를 제시한다. 연구진은 두 관측 시점 모두에서 얼음이 결정질이었는지, 아니면 무질서한 비정질 상태에서 결정으로 변했는지는 말할 수 없으며, 다양한 온도와 상에 걸친 얼음의 새로운 실험실 측정을 요구한다.

관측 사이에 나타난 변화에도 두 가지 설명이 있다. 논문의 제2저자인 메릴랜드대학교의 마이클 켈리(Michael Kelley)는 “시간에 따른 변화가 각 관측에서 태양이 알갱이를 서로 다르게 가열한 결과인지, 아니면 혜성 표면이 태양 근처에서 침식되면서 새로운 물질이 드러난 결과인지는 아직 판별할 수 없다”고 말했다.

코마 속 알갱이는 핵의 직접적인 표본도 아니며, 더 큰 덩어리에서 떨어져 나온 파편일 수 있다. 해왕성 너머 천체의 표면은 수십억 년 동안 방사선과 충돌로 재가공돼 왔기 때문에, 연구진은 이 유사성을 동일한 탄생지를 입증하는 증거로 해석하지 말라고 경고한다. 화학 조성의 다른 차이들은 3I/ATLAS를 만든 원반이 우리 태양계의 원반과 같지 않았음을 시사한다. 앞선 분석에서는 오히려 이 혜성을 붉은빛을 띠고 유기물이 풍부한 먼 천체 분류와 비교했기 때문에, 이 분야의 견해는 아직 수렴하지 않았다.

표본 수라는 문제도 있다. 이는 세 차례 관측된 성간 혜성 하나다.

3I/ATLAS와 그 얼음에 관한 주요 질문

3I/ATLAS란 무엇인가?

이는 성간 공간에서 우리 태양계로 들어온 것으로 확인된 세 번째 천체이며, 코마와 꼬리를 지닌 진정한 혜성이다. 열린 쌍곡선 궤도를 따르기 때문에 다시 돌아오지 않는다. 태양에 가장 가까워졌을 때 지구와 화성 궤도 사이를 지나갔으며, 지구에는 결코 가까이 접근하지 않았다.

3I/ATLAS에는 물이 들어 있는가?

그렇다. 웹은 그 코마에서 수증기와 물 얼음을 검출했다. 이 혜성은 이산화탄소도 유난히 풍부하다. 웹의 첫 관측에서 코마에는 물보다 약 8배 많은 이산화탄소가 있었으며, 이는 혜성에서 측정된 비율 가운데 가장 높은 수준 중 하나다.

해왕성 너머 천체란 무엇인가?

이들은 태양에서 해왕성 바깥, 지구-태양 거리의 약 30배 이상 떨어진 곳을 공전하는 얼음 천체로, 명왕성을 포함하는 집단이다. 수십억 년 동안 차갑게 유지돼 온 이들은 행성이 어떻게 형성됐는지에 관한 단서를 보존한다.

3I/ATLAS의 나이는 얼마나 되는가?

아무도 모른다. 속도와 방향을 바탕으로 한 한 연구는, 이 천체가 오래된 별들로 이뤄진 우리은하의 두꺼운 원반에서 왔다면 나이가 76억~140억 년일 것으로 추정했다. 이는 46억 년 된 태양계보다 더 오래됐다는 뜻이다. 이 추정치는 측정값이 아니라 통계적 추정이다.

다음 단계

이 혜성은 2025년 7월 1일 칠레 리오 우르타도의 ATLAS 탐사 망원경이 발견했다. 웹은 태양으로부터 지구-태양 거리의 3.3배, 2.4배, 5.7배 떨어진 위치에서 각각 2025년 8월 6일, 2025년 12월 22일, 2026년 4월 1일 이 천체를 관측했다. 태양에 가장 가까이 접근한 시점은 2025년 10월 29일로, 그 거리는 지구-태양 거리의 1.36배였다. 논문은 미국과 유럽 출신 연구자 15명의 서명으로 2026년 10월 26일 The Astrophysical Journal Letters에 실렸다.

태양계 혜성에 대한 추가 웹 관측과 새로운 성간 방문 천체는 3I/ATLAS가 전형적인 사례인지 검증하게 될 것이다. 2026년 6월 10년간의 하늘 탐사를 시작한 베라 C. 루빈 천문대는 이들 천체를 더 많이 발견할 것으로 예상된다. 내일은 3I/ATLAS가 태양을 돌아선 지 1년이 되는 날이며, 이 천체는 이미 태양계 밖으로 다시 빠져나가는 중이다. 그것이 지닌 얼음은 처음에 보였던 것만큼 낯설지 않다.

참고문헌: Protopapa et al., “JWST Reveals Refractory-rich Water Ice in Interstellar Comet 3I/ATLAS: Evidence for a Continuum of Grain Properties across Protoplanetary Disks,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aea60d

태그: 천문학, James Webb Space Telescope, 3I/ATLAS, 해왕성 바깥 천체, 물 얼음, 성간 천체