소행성

소행성은 미행성체(planetesimal)라고도 불리며, 중력 수축으로 내부 공극을 없애기에는 너무 작거나 행성 분화가 일어나기에는 너무 차가운 천체다. 원시행성계 원반의 산물이자 행성의 구성 요소인 소행성은 거의 모든 항성 주변에서 대량으로 발견된다. 성숙한 행성계에서는 더 큰 천체의 중력에 이끌려 띠와 성단을 이루며 밀집해 있는 경우가 많다. 이런 천체들은 원래 속해 있던 행성계에서 튕겨 나가 성간 소행성이 되기도 한다.

목차

1. 형성과 역학
2. 구성 성분
3. 활용
3.1 소행성 채굴
3.2 소행성 거주

형성과 역학

형성과 역학

행성계가 형성되는 초기 단계에서, 원시행성 원반이 냉각되면서 물질이 응결해 먼지 입자를 만든다. 이 먼지 입자들은 서로 충돌하고 달라붙어 자갈 크기로 성장한다. 이런 작은 고체 입자들의 집합은 스트리밍 불안정성과 같은 과정을 통해 빠르게 붕괴하여 킬로미터 규모의 소행성 천체를 형성할 수 있다. 일부 소행성은 다른 천체와의 충돌을 통해 계속 질량을 키운다. 그중 가장 큰 것들은 빠르게 성장해 결국 행성급 천체가 된다. 이렇게 거대해진 행성의 중력은 작은 천체들을 제거하는데, 흡착이나 방출을 통해 직접 없애거나 행성계 전반에 걸쳐 더 이심률이 크고 기울어진 궤도로 산란시킨다. 살아남은 소행성들은 보통 안정적인 영역의 저장소에 모여, 행성과 안정적인 공명 관계를 이루는 소행성대나 소행성군을 형성한다.
소행성들이 충분히 빠른 속도로 서로 충돌하면 산산조각이 나며 파편을 만들어낸다. 이 수많은 파편들은 대체로 비슷한 궤도를 따르고 비슷한 조성을 가지며, 소행성족으로 묶을 수 있다. 소행성대 안에서 소행성끼리 충돌하면 그 안에 있는 천체들의 크기 분포가 시간이 지남에 따라 변화한다. 큰 천체는 파괴되고 작은 소행성과 먼지가 만들어지는 것이다. 궤도 주기가 짧은 만큼, 별에 가까운 소행성대일수록 진화 속도가 빠른 편이다. 반면 먼 곳에 위치한 소행성대는 형성 이후 거의 변하지 않은 원시적인 천체를 많이 포함하고 있을 수 있다.

소행성의 궤도는 야르콥스키 효과 같은 요인들로 인해 시간이 지나면서 변화한다. 일부 소행성은 이로 인해 불안정 구역으로 밀려들어가고, 거기서 거대 행성의 중력 때문에 소행성대 밖으로 튕겨 나가 주요 행성이 차지하는 영역으로 들어오게 된다. 그 결과 소행성대는 "새어나가며", 소행성 천체를 혼돈적인 궤도로 끊임없이 공급한다. 결국 이런 천체들은 행성 섭동으로 제거되는데, 행성계 밖으로 방출되거나 다른 천체와 충돌하게 된다.

또한 소행성은 별에 가까운 궤도에서 오래 살아남기 어렵다. 야르콥스키 효과와 YORP 효과 같은 항성 복사 관련 과정, 빠른 궤도 속도와 충돌 속도, 그리고 일교차에 따른 높은 열응력이 모두 맞물려 그런 천체를 빠르게 침식하고 파괴한다. 이 때문에 불카노이드 소행성은 대부분의 성숙한 행성계에서 드물게 존재한다.

구성

소행성의 구성은 형성 위치와 진화 역사에 따라 달라진다. 소행성은 크게 두 가지 조성 유형으로 나뉜다: 원시체와 비원시체.

원시체

원시체는 행성 원반에서 직접 응축된 천체와 유사한 원소 함량 패턴을 가진 천체다. 특정 원소가 얼마나 고갈되었는지는 탈휘발화로 설명할 수 있다. 휘발성 화합물을 선호하는 원소일수록 해당 천체에서 더 많이 고갈된다.

규산질: 물 얼음선 안쪽의 고온 환경에서 형성된 천체와 일치하는 전체 조성을 가진 원시체다. 휘발성 물질과 유기물이 고갈되어 있으며, 규산염과 금속 산화물·황화물 같은 내화성 물질을 포함한다. 규산질 소행성은 대체로 비교적 밝고 약간 노르스름한 표면을 가진다.

탄소질: 중간 온도 환경에서 형성된 천체와 일치하는 전체 조성을 가진 원시체다. 내화성 물질과 유기물을 포함하고 휘발성 물질이 풍부하지만, 빙질 소행성만큼 많지는 않다. 탄소질 소행성은 대체로 비교적 어둡고 회색빛 표면을 가진다. 일부 대형 탄소질 소행성은 제한적인 분화를 겪는다. 이때 물이 녹아 천체 중심부로 스며들어, 결국 암석 물질과 얼음으로 이루어진 핵이 형성되고 그 바깥을 건조한 외층이 감싼다.

빙질: 물 얼음선 바깥쪽의 저온 환경에서 형성된 천체와 일치하는 전체 조성을 가진 원시체다. 낮은 온도 덕분에 대부분의 물질이 응축될 수 있어, 내화성 물질·유기물·물 얼음 등 휘발성 물질을 모두 포함한다. 빙질 소행성은 대체로 비교적 어두운 표면을 가지며, 표면 색상은 회색에서 갈색까지 다양하다.

비원시체

비원시체는 행성 분화를 거치며 원소 함량 패턴이 크게 바뀐 천체다. 대체로 행성체의 파편이며, 기원한 행성 층에 따라 분류된다.

철질 또는 금속질: 행성체의 핵 또는 핵-맨틀 경계에서 유래한 천체다. 철, 니켈, 코발트 같은 친철 원소가 고농도로 포함되어 있으며, 황 같은 불순물도 함께 들어 있다. 규산염 물질이 상당량 포함된 경우도 많다. 이러한 조성 때문에 철질 소행성은 다른 유형에 비해 비교적 밀도가 높은 편이다.

암석질: 행성체의 맨틀 또는 지각에서 유래한 천체다. 산소·규소·마그네슘·알루미늄·칼슘 같은 친암 원소가 풍부한 규산염 물질을 포함하며, 친철 원소는 적다.

탄소암질: 행성체의 탄소 풍부층에서 유래한 천체다. 흑연·다이아몬드·유기물을 주로 포함하며, 때로는 규산염 물질이나 빙질 물질과 섞여 있다.

빙암질: 행성체의 얼음층(빙각 또는 지하 해양 등)에서 유래한 천체다. 물·이산화탄소·메탄·질소 등 다양한 종류의 얼음으로 이루어질 수 있다. 표면에 신선한 얼음이 노출되면 매우 밝을 수 있지만, 톨린으로 덮인 경우에는 어두운 표면을 가지기도 한다.

활용

소행성 채굴

자기 가속의 폭발과 레이저 빛의 잔광 속에서 수천 개의 씨앗이 서식지에서 발사되었다. 각각은 부드럽고 반유기적인 핵을 정밀하게 계산된 보호막으로 감싼 것이었다. 2주에 걸쳐 중력 우물을 기어오른 끝에, 주먹만 한 크기의 무리가 목표물에 충돌했다.

전부 살아남지는 못했지만, 그것은 예상된 일이었다. 이 경우 양이 가진 이점을 질은 따라가지 못했다. 우주로 튕겨 나가거나 암석 충돌로 완전히 부서지지 않은 씨앗들로부터, 작은 분화구 안에서 인공 생명의 움틀거림이 시작되었다.

변화를 알아채기까지는 몇 달이 걸렸다. 그 작은 분화구 속의 에너지는 충분하지 않았다. 그러나 결국 육안으로도 소행성 표면에 이끼 같은 어두운 성장이 보이기 시작했다. 태양 섬유가 떠도는 광자를 흡수해 갓 부화한 합성 곤충에게 동력을 공급했고, 스마트젤 층이 퍼져나갔다. 처음에는 느린 과정이었지만, 처음 목격 후 얼마 지나지 않아 관찰자는 암석 전체가 박막으로 뒤덮인 것을 발견하게 된다.

다음에는 잎사귀 가지들이 왔다. 소행성의 느린 자전으로 수 킬로미터에 걸쳐 뻗어나간 검은 잎의 길고 가느다란 나무들. 전력이 천 배로 늘어나자 진짜 작업이 시작될 수 있었다. 적외선에 초점을 맞추면 관찰자는 점점 쌓이는 열을 확인할 수 있었다. 굴착 봇이 내부 깊숙이 파낸 새 재료들이 외피 위의 수포 형태로 압착되었다. 얼음에서 채취한 물과 분자 기계가 든 욕조 안에서 귀중한 자원이 폐기물과 분리되었다.

결국 최후의 단계가 시작되었다. 나무에 열매가 맺혔다. 수포에서 정제된 산물로 가득 찬 매끈한 껍질의 코코넛들. 가스 분출과 나뭇가지 떨림 속에서 만 개의 꼬투리가 방출되었다. 느린 포물선을 그리며 암석의 희미한 중력을 벗어났고, 천천히 줄어드는 천체 위에는 새 열매가 다시 자랐다. 몇 달 안에 인공적으로 진화한 그 몸체들은 모체 서식지와 만날 것이었다. 단순한 씨뿌리기의 첫 수확.

나노생명공학: 수확 수집

소행성은 크기가 작고 분포도 비교적 성기지만, 테라젠 문명 안에서 원자재의 가장 흔한 공급원이다. 접근이 용이하고 중력이 미미해, 행성체에서 같은 양의 질량을 추출하는 것보다 채굴과 운반이 훨씬 쉽다. 소행성은 거의 어디서나 자유롭게 공전하고 있지만, 중력 상호작용 때문에 소행성대나 행성 고리처럼 밀도가 높은 집단으로 모이는 경향이 있다.
자원 접근과 서식지 건설이 쉬운 덕분에 소행성은 새로운 항성계 개발에서 매우 중요한 역할을 한다. 항성계에서 처음으로 정착이 이루어지는 곳도 흔히 소행성이다. 위치, 궤도, 성분, 밀도, 질량 등 소행성 집단의 일반적 특성과 거주 문명의 의도, 욕구, 문화, 기술이 맞물려 물질을 추출하고 활용하는 방식은 셀 수 없이 다양해진다. 그럼에도 소행성이 가진 장단점을 다루는 몇 가지 일반적인 방법이 존재한다.

소행성의 주요 장점 중 하나는 고유한 궤도 운동량과 낮은 질량이다. 덕분에 자원 추출이나 다른 궤도로의 이동은 중급 기술 문명에게도 쉬운 일이다. 소행성 채굴의 주요 단점은 표면에 자연적으로 쌓이는 파편과 채굴 과정에서 발생하는 파편 처리 문제다. 작은 소행성조차 미세한 먼지 입자부터 거대한 바위까지 다양한 표면 물질층을 가지고 있으며, 교란되지 않은 미중력 환경에서 약하게 결합되어 있다. 이런 천체의 탈출 속도는 시속 수 분의 일 킬로미터에 불과해, 표면에 조금만 접촉하거나 회전 운동량이 조금만 바뀌어도 파편 구름이 생겨 우주로 날아가거나 궤도에 진입하거나 표면으로 낙하한다. 또한 소행성은 불규칙하게 회전하며 임의의 축을 중심으로 우주를 가로질러 구르는 경향이 있다. 물질에 쉽게 접근하려면 이 자전을 멈추거나 맞춰야 하는데, 자전을 늦추는 과정에서 표면 일부가 우주로 날아갈 수 있다.

이 문제는 보통 물질을 추출하기 전에 소행성을 감싸 해결한다. 이는 원하는 물질이 우주로 유실되지 않게 하는 과정 자체에 포함된 방법이기도 하다. 목표 소행성이 대규모 채굴 작업의 경유지처럼 정기적인 통행이 예상되는 구역에 있다면, 채굴 작업 전에 완전히 밀폐할 가능성이 높다. 이 작업에 적합한 중급 기술 채굴 장비는 기계적으로 열고 닫히는 주머니를 사용하며, 더 높은 기술 수준에서는 유틸리티 포그가 천체 주변에 표면적 효율이 높은 밀폐 환경을 형성하고 물질 추출 자체도 수행한다. 파편 문제를 그냥 무시하는 방법도 있다. 다른 기반 시설과 멀리 떨어진 소행성이라면 파편이 국지적 구역에 흩어지더라도 큰 문제가 되지 않으며, 파편은 기존 궤도를 대체로 유지한다. 소행성을 다른 장소로 이동시킬 경우에는 출발 전에 파편을 의도적으로 방출하기도 한다.

더 큰 천체의 경우 내부에서 바깥 방향으로 추출 작업을 진행할 수 있다. 표면에 작은 접근구를 뚫어 내부로 연결한 뒤, 소행성을 안쪽부터 파내는 방식이다. 거주자들은 표면에서 생활하거나 내부를 이용해 다양한 형태의 밀폐 서식지를 만들 수 있다. 표면 물질은 어떤 경우든 교란되므로 수거하거나 방출해야 한다.


실제 처리 방식도 다양하며, 주어진 물류 시스템에 따라 가장 적합한 방식이 달라진다. 소행성을 통째로 수집해 채굴 구역 내의 중앙 처리 시설로 이동시킬 수도 있다. 중력 예인선으로 끌어당기는 방법도 있다. 소형 씨앗 우주선이 표면에 착륙해 현지에서 채굴한 재료로 소형 추진기와 처리 장치를 건설하면, 소행성 자체가 목적지로 날아가는 우주선이 된다. 소행성은 방사선 차폐물로도 활용할 수 있어 궤도 기반 시설에 시원한 그늘을 드리우는 역할도 한다.

개별 소행성은 크기가 작고 다루기 쉬워 매우 높은 가치를 지닌다. 중력이 미약하기 때문에 궤도상의 거주 시설로 자원을 옮기는 일이 비교적 수월하다. 지름 수백 미터에 불과한 작은 소행성조차 수십억 톤의 원자재를 품고 있을 수 있다. 그 때문에 개인 탐사자들, 이른바 '벨터(belter)'들은 상대론적 수송 비용과 채굴권 등에 평생 모은 돈을 걸기도 하며, 실제로 큰돈을 버는 이들도 적지 않다. 크고 작은 개발 기업들 역시 소행성 확보에 매우 적극적이다. 소행성에는 광물이 다양한 비율로 함유되어 있는 경우가 많다. 특히 니켈-철 암석에는 백금, 이리듐, 때로는 방사성 물질까지 들어 있으며, 탄소질 콘드라이트는 휘발성 물질이 풍부한 원천으로서 드물게는 풀러렌과 아미노산도 발견된다. 수빙과 암모니아 역시 유용한 자원으로 꼽힌다.

소행성 채굴의 주요 난제

소행성 채굴자가 직면하는 주요 어려움은 다음과 같다.

1. 공기 제동에 활용할 대기가 없다. 지구 착륙이 비교적 쉬운 이유 중 하나가 바로 이 감속 효과 덕분이다.
2. 오베르트 효과가 미미해, 소행성 궤도에 진입하기 위한 감속에 델타-브이가 많이 소모된다.
3. 불규칙한 형태로 인해 소행성 주변 궤도가 혼돈스럽고 잠재적으로 위험하다. (클레오파트라 주변에 근접 궤도를 설정해 보면, 양쪽으로 튀어나온 끝부분에 충돌하지 않고는 불가능하다는 걸 알 수 있다.)
4. 빠른 자전 — 100m 이하의 소행성은 자전 속도가 너무 빨라 표면에서 튕겨 나갈 수 있다.
5. 텀블링 — 많은 소행성이 불안정한 자전을 보인다. 자전 주기와 축이 시간에 따라 변하기 때문에 착륙이 어렵다.

봉투형 채굴

소행성의 미약한 중력도 문제가 된다. 채굴된 물질이 흘러나가거나 휘발성 물질이 증발로 사라질 수 있기 때문이다. 그래서 대부분의 채굴은 유연한 밀폐 돔 내부나 천체 내부의 밀폐 터널 안에서 이루어진다. 매우 작은 소행성은 봉투형 채굴선으로 통째로 감쌀 수 있다. 역사적인 이유로 팩맨 채굴선 또는 팩마이너라 불리는 선박이 바로 그것이다. 소형 소행성의 빠른 자전은 이동이나 방향 전환 시에도 문제가 된다. 이럴 때는 회전하는 천체와 직접 접촉하지 않고도 작업할 수 있는 다양한 중력 예인선을 활용한다.

광학 채굴

또 다른 방식으로는 광학 채굴이 있다. 집광된 태양광으로 소행성을 분쇄하는 기법이다. 먼저 채굴선에 연결된 자루로 목표 소행성을 감싼다. 그다음 거울 시스템으로 태양광을 소행성에 집중시켜 표면을 균열시키고 물 같은 휘발성 물질을 방출시킨다. 방출된 휘발성 물질은 수집 후 동결 보관한다. 남은 고체 슬래그는 채굴선의 처리 능력에 따라 폐기하거나 추가 가공을 위해 보관한다.

모든 소행성이 광학 채굴에 적합한 것은 아니다. 이 방식은 비교적 소형이고 수분 함량이 높은 소행성에 가장 효과적이다.


수많은 개별 소행성과 소행성대 전체가 자기복제 폰 노이만 장치에 의해 개발되어 왔다. 이들 중 일부는 다양한 수준의 자율성이나 지각(Sentience)를 발전시켜 노이만 벡이 되고, 독자적인 문명을 건설하기도 한다.

때로는 과학적 또는 심미적 가치를 지닌 특이한 조성의 소행성이나 소행성대가 발견되기도 한다. 더욱 드물게는 수백 년 혹은 수천 년 된 고대 선박의 잔해나 노이만 장치가 소행성대를 표류하다 발견되기도 한다. 그런 발견의 인양권은 벨터 한 사람의 평생을 풍족하게 해줄 수 있다. 가장 드물고 가장 귀한 것은 외계 유물이지만, 그런 발견의 가능성은 현실적인 이야기라기보다는 신화와 전설에 가깝다.

소행성 거주지

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