어쩌면 존재했을지 모를 태양의 쌍둥이별은 어떻게 되었을까?

우리가 살고 있는 은하계에는 많은 항성이 쌍으로 존재하는데, 태양은 이중 눈에 띄는 예외라고 알려져 있었다. 그런데 최근 과학계에선 태양도 쌍둥이별이 있었다고 생각할 만한 단서들이 발견되고 있다. 그렇다면 이야기는 '그 쌍성은 어디로 갔을까?'로 이어진다.

우주에서 태양의 존재는 흡사 고립된 유목민과 같다. 은하수의 나선팔 중 하나에서 약 2억3000만 년 주기로 외로이 은하계 한 바퀴를 돌고 있기 때문이다. 태양과 가장 가까운 항성은 '프록시마성'이다. 하지만 이 항성마저도 4.2광년 떨어져 있다. 가장 빠른 우주선을 이용하더라도 도달하는 데만 7000년 이상 걸릴 정도다.

우리 은하계 어디를 보더라도, 태양은 독특하다. 은하계에선 쌍성(은하계를 공전하는 항성이 한 쌍으로 연결된 것)이 흔한 현상처럼 보이기 때문이다. 최근에는 천체 물리학자들이 강한 중력 때문에 별이 서로 찢어지거나 뭉개질 것으로 생각했던 은하수 중심의 초거대 블랙홀과 놀라울 정도로 가까운 곳에서 공전을 하고 있는 쌍성 한 쌍을 발견하기도 했다.

사실 쌍성계를 발견하는 것은 이제는 꽤 흔한 일이다. 과학자 중에는 모든 항성이 한 쌍으로 태어나고 별마다 동반성(쌍성계의 상대 별)이 존재했을 것이라고 생각하는 이들도 있을 정도다. 이러한 관점에서 보면, 흥미로운 질문이 나온다. 혹시 우리 태양도 한때는 쌍성계의 별이었는데, 오래전에 동반성을 잃어버리게 된 것은 아닐까?

미국 조지아 공대 소속 천문학자인 공지에 리는 이에 대해 분명 가능성이 있는 생각이라고 말했다. "매우 흥미로운 시각이기도 합니다."

다행히 오늘날 태양의 동반성은 확인되지 않았다. 만약 태양에 동반성이 있었다면, 그 항성의 중력이 지구 및 다른 행성의 궤도를 바꿔놓았을 것이다. 그렇게 되면 지구는 극심한 더위에서 혹독한 추위까지, 생명체가 살기 힘든 환경이 되었을지도 모른다.

지구에서 가장 가까운 쌍성계는 알파 센타우리A와 알파 센타우리B다. 이 항성은 지구와 태양 사이 간격의 약 24배인 36억 마일 정도 떨어져서, 각자의 궤도를 돌고 있다. 태양도 오늘날 태양계를 돌고 있는 희미한 동반성, '네메시스'라고도 불리는 가상의 별을 갖고 있을 수 있다는 주장은 1984년에 처음 나왔다. 하지만 이후 여러 조사와 연구에서 그러한 항성이 확인되지 않아서, 이에 대한 관심은 사그라들었다.

그런데 46억 년 전 태양이 처음 형성되었을 당시라면, 상황이 다를지도 모른다.

항성은 수십 광년에 걸쳐 거대한 먼지 및 가스 구름(성운)이 냉각되고 서로 뭉쳐 만들어진다. 흡사 가스와 먼지로 이루어진 고치와 비슷한 이러한 성운은 중력에 의해 내부 물질의 구조가 붕괴되고 계속 커지는 덩어리로 변해간다. 그리고 수백만 년에 걸쳐 따뜻해지다가 결국 핵융합을 일으키게 되는데, 이 과정에서 향후 행성이 될 잔해를 주변에 원반처럼 두른 원시성(항성으로 진화할 성간 가스나 먼지의 모임)이 만들어진다.

캐나다 퀸즈 대학의 천체 물리학자인 사라 사다보이는 2017년 젊은 쌍성계가 가득한 페르세우스 분자 구름을 전파 조사한 데이터를 연구했다. 그리고 항성이 만들어지는 과정에서는 쌍으로 이루어진 원시성이 우선적으로 형성될 수 있다는 결론을 내렸다. 사실 그의 연구팀은 모든 항성이 쌍성 또는 다성계로 형성될 가능성이 매우 높다는 사실을 발견했다.

사다보이는 "성운 안에는 작은 밀도 차이가 존재하는데, 이 성운이 붕괴되어 여러 개의 항성을 형성할 수 있다"며 "우리는 이를 조각화 과정이라고 부른다"고 말했다. "항성들이 서로 아주 멀리 떨어져 있으면 상호작용이 발생하지 않을 것입니다. 하지만 거리가 가깝다면 중력으로 서로를 묶어둘 수 있습니다."

사다보이는 연구를 통해 모든 항성이 한때 쌍성으로 시작하고, 어떤 항성은 무한히 결합되지만 어떤 것은 생성 후 백만 년 안에 빠르게 분리될 수 있다는 것을 보여주었다. 그는 "항성은 수십억 년 동안 소멸하지 않는다"고 말했다. "항성이 동반성과 분리되는 순간은 그 항성의 거대한 인생에서 아주 짧은 순간입니다. 하지만 그 짧은 순간에 많은 일이 일어납니다."

이러한 관점은 태양에도 적용될 수 있다. 사다보이는 (태양은) 그렇지 않았을 것이라고 생각할 이유가 없다고 말했다. 하지만 "만약 태양이 쌍성계였다면, 우리는 태양의 동반성을 잃어버린 것"이라고 말했다.

태양이 한때 쌍성계였다는 주장을 지지하는 조그마한 단서들도 나오고 있다. 2020년 미국 하버드 대학의 천체 물리학자 아미르 시라즈는 명왕성 너머 태양계를 둘러싸고 있는 얼음 혜성 지역인 오르트 구름에 이 동반성의 흔적이 있을 수 있다는 관점을 제시했다. 얼음과 암석으로 이루어진 이 차가운 껍데기 층은 인류가 가장 멀리 발사한 우주선인 '보이저 1호'가 적어도 300년은 더 가야만 도달할 수 있을 정도로 멀리 떨어져 있다.

시라즈는 만약 우리 태양에 동반성이 있었다면 명왕성과 같은 소형 행성이 태양계 외곽에 더 많이 존재했을 것이라고 말했다. 또한 일부 천문학자들이 태양의 외곽에 존재하지만 아직 발견되지 않은 것으로 추정하는 해왕성 크기의 '플래닛 나인' 같은 보다 커다란 행성도 태양의 동반성 때문에 그곳에 자리를 잡았을 수도 있다는 추정도 나온다.

시라즈는 오르트 구름에는 수십억 또는 수조 개의 천체가 궤도를 돌고 있는데 동반성 없이 "오르트 구름의 가장 먼 곳에 많은 행성이 자리 잡게 하기는 어렵다"고 말했다. 그는 만약 플래닛 나인과 같은 행성이 추가로 발견된다면, 쌍성의 한 쌍인 태양의 중력을 방해하지 않고 그러한 행성이 어떻게 태양에서 그렇게 멀리 떨어져 있는지 설명하는 것은 "정말 어려운 일일 것"이라고 말했다. "그런 행성이 존재한다면 혜성 포착(행성이나 별의 중력이 오르트 구름에서 혜성을 끌어오는 것) 및 태양계가 행성을 끌어올 가능성이 커질 수 있습니다."

미국 캘리포니아 공대 소속 행성 과학자인 콘스탄틴 바티긴은 2016년에 먼 천체들의 군집을 기반으로 플래닛 나인의 존재를 처음 제안했다. 하지만 그는 태양이 쌍성계였다는 아이디어에 대해 확신하지는 않는 입장이다. 바티긴은 "오르트 구름을 설명하는 데 동반성이 반드시 필요한 것은 아니다"라고 말했다. "태양이 성단에서 형성되었고 목성과 토성이 현재의 질량으로 성장하면서 여러 천체를 분출했다는 사실만으로도 오르트 구름의 존재를 충분히 설명할 수 있습니다." 그는 심지어 플래닛 나인도 "탄생 성단에서 지나치는 항성"만으로도 설명할 수 있다고 했다.

하지만 최근 발표한 연구 논문에서 바티긴은 오르트 구름의 안쪽 가장자리를 쌍성계로 설명할 수 있다는 관점을 제시했다. 그는 "컴퓨터 시뮬레이션을 해보니 물질들이 흩어지면서 쌍성계 동반성과 상호작용하기 시작한다는 것을 발견했다"고 말했다. "그런 물질들이 목성과 토성의 궤도에서 분리되어 안쪽의 오르트 구름에 갇힐 수 있습니다."

칠레에 새롭게 만들어지는 천체 망원경 '베라 루빈 천문대'가 내년에 가동되어 향후 10년간 밤하늘에 대한 가장 상세한 조사를 수행하게 되면, 이 아이디어를 더 자세하게 확인해 볼 수 있을 것이다. 바티긴은 "베라 루빈 천문대가 가동되고 오르트 구름의 구조를 더 자세히 파악하기 시작하면 쌍성의 흔적이 명확하게 있는지 확인할 수 있을 것"이라고 말했다.

태양의 동반성이 존재했을 또 다른 징후는 태양이 태양계 평면을 기준으로 약 7도 정도 기울어져 있다는 것이다. 물론 이에 대한 또 다른 설명은 다른 별의 중력이 태양의 균형을 무너뜨렸다는 것이다. 바티긴은 "하지만 가장 자연스러운 설명은 초기에 동반성이 존재했다는 것"이라며, 이는 은하계 전체의 다른 쌍성계에서도 볼 수 있는 효과라고 했다.

하지만 이러한 근거들이 옳은 것으로 판명되더라도, 사라진 태양의 동반성을 찾는 일은 훨씬 더 어려울 수 있다. 사다보이는 "(태양의 동반성은) 밤하늘에 보이는 별들의 바닷속에서 길을 잃었을 가능성이 높다"고 말했다.

게다가 우주 내 같은 지역에서 태어난 항성들은 같은 가스와 먼지의 혼합물로 만들어졌을 것이기 때문에 구성이 비슷할 수 있다. 즉 모두 진짜 형제자매 별처럼 생각될 수도 있는 것이다. 2018년에 과학자들은 200광년 정도 떨어진 곳에서 비슷한 크기와 화학 성분을 가진 태양의 "쌍둥이" 별 하나를 발견했다. 그러나 사다보이는 이 소식에 너무 흥분하기 전에 우리 태양을 탄생시킨 가스와 먼지구름도 아마도 "수백 또는 수천 개의 별"을 형성했을 것이라는 점을 기억할 필요가 있다고 말했다. 항성의 성분 구성이 비슷한 것들이 많기 때문에 어떤 것이 태양의 진정한 동반성인지 알 수 있는 방법이 없다는 뜻이다. 또한 태양의 동반성이 비슷한 크기를 갖고 있지 않을 수도 있다. 사다보이는 "더 작은 적색왜성이거나 더 뜨겁고 푸른 빛을 띠는 별이었을 수도 있다"고 말했다.

태양의 동반성을 찾아내고 확인하는 것은 어려운 일이다. 하지만 태양이 한때 쌍성계였다는 가설은 태양계 외부 행성으로 알려진 다른 항성 주변에 있는 행성들에 대해 흥미로운 시사점을 제공해준다. 특히 다른 항성이 존재한다고 해서 태양계 내 생명체의 존재와 행성의 생존이 줄어든 것은 아니라는 점을 보여준다. 리는 "실제로 항성 쌍성 궤도를 도는 태양계 외 행성계가 많이 발견되었다"고 말했다. 그중 일부는 행성주변계로 알려진 두 별 중 하나를 공전하는 반면, 다른 일부는 두 별을 모두 공전하며 스타워즈에 나오는 가상의 행성 '타투인'처럼 하늘에 두 개의 태양을 가지고 있다. 이를 쌍성 외계행성계라고 한다.

하지만 때때로 쌍성계 내 동반성이 시스템에 혼란을 만들어내는 것을 볼 수 있다. 리는 "이러한 현상은 항성이 얼마나 멀리 있느냐에 따라 달라진다"고 말했다. 항성이 더 가까이 있으면 행성 궤도를 "걷어차서" 원형이 아닌 일그러진 모양으로 밀어낼 수 있다. 리는 "행성주변계에서는 행성이 기이한 움직임을 보일 가능성이 높을 수 있다"고 했다. "하지만 이것이 반드시 행성을 불안정하게 만드는 것은 아닙니다." 그러나 행성이 항성에 가까워지거나 멀어질 때 커다란 온도 변화를 경험할 수 있다고 했다.

지구 입장에서 볼 때, 오래전 태양의 동반성이 존재했을 가능성이 있다는 사실이 우리 존재 자체에 나쁜 영향을 주는 것 같지는 않아 보인다. 그리고 과학자들이 태양계에서 가장 멀리 떨어진 지역을 더 자세히 조사하면서 태양의 동반성 존재와 관련된 더 많은 징후를 찾아낼 수 있을지도 모른다.

만약 태양의 동반성이 존재한다면 그 자체의 태양계를 갖추고 우리 태양계의 저 밖 어딘가에 있을 가능성도 있다. 사다보이는 "(동반성의 태양계는) 너무 뒤처져 있지도 앞서있지도 않을 수도 있다"고 말했다. "아니면 은하계 반대편에 있고, 우리가 모르는 것일 수도 있습니다."

"그 항성은 우주 어디에든 있을 수 있습니다."