넷플릭스 드라마 삼체에서 지구를 위협하는 외계인의 고향으로 나오는 곳이 알파 센타우리입니다.
드라마에서는 우리 태양과는 달리 이곳의 태양은 3개로 삼체역학에 따라 그 주기를 예측할 수 없는 것으로 나오지요.
실제 알파 센타우리계의 항성의 구조는 어떤 모습이고 어떤 특징을 가지고 있을까요?
이번 post에서는 알파 센타우리에 대해 알아봅니다.
알파 센타우리
1. 알파 센타우리 항성계
알파 센타우리(Alpha Centauri)는 센타우루스자리의 알파별로서, 센타우루스자리 알파 혹은 알파 센타우리(α Centauri, Alpha Cen, α Cen)로 불립니다.
이 항성계를 구성하고 있는 항성은 총 3개입니다.
그래서 삼중성계 혹은 다중성계로 부르고 있지요.
알파센타우리 A -> 공식명칭(리길켄타우루스), 지름 태양의 1.22배, 질량 1.1배, 광도 1.5배
알파센타우리 B -> 공식명칭(톨리만), 지름 태양의 0.8배, 질량 0.9배, 광도 0.5배
프록시마 센타우리 -> 적색왜성, 지름 0.14배, 광도 0.17배, 질량 0.12배
이 항성계는 태양계에서 4.37광년(1.34파색) 떨어져 있으며, 태양에서 제일 가까운 곳에 위치합니다.
더 자세히 보면 프록시마 센타우리가 4.22광년(약 40조 km)으로 제일 가깝고 우주의 모든 별 가운데 70%이상을 차지하는 평범한 적색왜성입니다.
여기서 프록시마(proxima)라는 뜻은 인접해 있다, 가깝다라는 뜻의 접두어이지요.
태양에서 제일 가까운 항성이지만 적색 왜성이라 맨눈에 보이려면 적어도 현재 밝기에서 105배 이상 밝아야 합니다.
알파 센타우리 A,B는 태양형 항성으로 두 별이 뭉쳐 쌍성 센타우루스자리 알파 AB를 구성합니다.
육안으로 볼 때 AB의 실시등급은 -0.27로서 빛나는 하나의 별처럼 보이며 센터우루스자리에서 가장 밝고, 밤하늘 전체에서는 시리우스와 카노푸스 다음으로 3번째로 밝은 별입니다.
C인 프록시마 센타우리는 작고 어두운 적색왜성입니다. 맨눈으로는 우리가 볼 수는 없지요.
C는 AB와 0.21광년 떨어져 있으며 해왕성 궤도 반지름의 약 430배 정도 거리입니다.
2. 항성계 구조
2017년 이후 이 항성계는 삼중성계(다중성계)로 밝혀졌습니다.
우선 알파센타우리 AB는 지구에서 맨눈으로 보면 하나의 별처럼 보이지만 천체 망원경으로 살펴보면 2개의 별로 이루어진 쌍성계입니다.
두 항성은 공통의 질량 중심을 79.91년을 주기로 공전하고 있고, 공전 궤도의 이심률이 커(타원이 큼) 서로 멀어졌을 때는 태양에서 명왕성까지의 거리까지 멀어집니다(35.6AU).
반대로 가까워질 때는 태양-토성 거리인 11.2AU까지 접근하지요.
이와 좀 동떨어진 C, 프록시마 센타우리는 적색왜성으로서 AB의 주변을 멤돌고 있습니다.
알파 AB와의 거리는 0.21광년으로 해왕성 궤도 반지름의 약 430배 거리입니다.
태양과의 거리를 보면 태양-AB 사이 거리의 95% 지점에 위치하고 있지요.
AB-C는 중심부 쌍성에 프록시마가 질량의 중심부와 외딴 곳에 있는 반성의 형태로 연결되어 있습니다.
이전에는 C(프록시마)의 느린 속도와 궤도가 부정확해 AB-C가 어떤 연관이 있는지 알 수 없었습니다.
그러나 2017년 측정한 시선속도 값들을 통해 프록시마 센타우리와 AB가 중력으로 묶여있음이 밝혀졌지요.
프록시마의 공전주기는 대략 54,7000년(-4000~+6600)이며 이심률은 0.5(±0.08) 정도로 수성 궤도보다 훨씬 큽니다.
만약 이 항성계에 잡혀있는 행성이 있다면 아주 밝은 별 또는 아주 어두운 태양이 하나 더 있는 것을 볼 것입니다.
밝은 해가 지고 난 뒤 한밤중에도 이 어두운 태양은 밤하늘 중간에 한동안 떠 있게 되고, 지구 정도의 두꺼운 대기를 가진 행성이라면 신문을 읽을 정도일 수 있다고 합니다.
밝기가 대략 저녁 노을이 지는 정도의 밝기라 생각하시면 됩니다.
두 태양 사이의 거리는 최대로 가까워봤자 태양에서 토성 정도 거리(지구-태양 거리 10배)이기 때문에 2개의 태양인 AB중 어두운 쪽이 가상 행성에 미칠 영향은 거의 없다고 봐도 좋지요.
프록시마(알파 센타우리C)는 워낙 멀리 있으며 언젠가는 AB를 벗어날 것으로 보는 것이 학계의 정설입니다.
3. 삼체문제?
넷플릭스 드라마 삼체(Three-Body Problem)에서 등장하는 외계종족을 알파센타우리의 행성 출신으로 표현하고 있습니다.
제목답게 삼체문제를 소재로 하고 있으나, 삼체문제 자체가 주된 소재는 아니고 삼중성계(삼중항성계)에서 고생하는 행성에서 살고 있기 때문에 붙은 제목일 뿐이지요.
사실 극중의 문제를 생각해보자면 작중 외계인들은 3체문제가 아닌 4체 문제를 풀어야 합니다.
물론 행성의 중력이 항성에 비해 미미하다면 3체문제로 풀고 섭동이론으로 보정을 충분히 할 수는 있습니다만, 생존을 위해서라면 자신들이 사는 행성의 위치도 반드시 계산되어야 하지요.
그렇다면 삼체문제는 무엇이길래 작중 외계인들처럼 개고생을 하게 될까요?
삼체문제( 三體問題,Three-Body Problem )는 세 물체간의 중력이 어떻게 작용하고, 이 결과로 어떠한 궤도 움직임을 보이는지를 다루는 문제입니다.
워낙 복잡하고 답이 없다보니 이 연구가 훗날 카오스 이론의 등장을 불러오지요.
삼체문제는 고전역학의 일부이며, 아이작 뉴턴이 프린키피아에서 3개 물체의 만유인력 상호작용에 대해 최초로 언급하면서 시작됩니다.
물체 2개의 중력이 서로 어떻게 작용하고 그래서 어떤 궤도 움직임을 보일 것인지에 대한 이체문제는 쉽지요.
이체의 중력 상호작용은 보통 만유인력과 같이 제곱의 역 법칙이기 때문에 항상 답이 정해져 있습니다.
질량을 알고, 특정 위치, 속도를 안다면 상호 중력과 궤도 운동의 주기를 알아내기 쉽습니다.
그러나 물체가 3개가 되면 이야기가 달라지는데요, 3물체간에 작용하는 중력과 그에 의한 궤도 운동을 예측하는 것은 쉬운일이 아닙니다.
이체문제가 평면이라면 삼체문제는 차원이 하나 더 있는 셈이고 적용해야 할 변수가 하나 더 늘었기 때문이지요.
이 삼체문제는 물리학 분야에서 손꼽히는 난제입니다.
18세기 중반부터 라그랑주, 라플라스, 뉴턴 등 여러 수학자들도 실패했고, 1887년 앙리 푸애카레에 의해 삼체문제의 일반해를 구하는 것은 불가능하다는 것이 증명되었습니다.
단지 특수한 상황에서의 특수해만이 꾸준히 나오고 있는 상황입니다.
아래처럼 L3,L4,L5가 120도씩 일정하게 떨어지 곳에 위치할 경우의 일반해는 구할 수 있지요.
1775년에 조제프루이 라그랑주가 발견했으며, 이외에도 8자형 궤도운동, Broucke-Henon-Hadjidemetriou Family 까지해서 총 3개의 특수해가 존재합니다.
얼마나 어려운 수학이면 증명이 아니라 발견이라 했을까요?
이 삼체를 넘어 사체, 오체 그 이상으로 넘어가면 더 어려워지며, 4체 이상은 특수해조차 발견되지 않고 있습니다.
그런데 실제 알파센타우리 AB-C에 행성이 존재한다고 할 때 드라마처럼 삼체문제로 해당 외계인이 엄청난 고생을 할까요?
천문학계에서는 실제 알파 센타우리 삼중성의 거동은 그렇게 벽이 높지 않다라고 설명하는 천문학자도 있을 만큼 그리 어렵지 않은 궤도 운동이라고 합니다.
알파센타우리C, 즉 프록시마 센타우리는 쌍성계인 AB에 비해 질량이 매우 작은 적색왜성일 뿐더러 궤도가 수성 궤도보다 훨씬 큽니다.
드라마에서처럼 수십번의 문명이 존재했다 사라질 정도의 가혹한 환경이 될 가능성이 있을까라 생각해보면 그렇지 않을 가능성이 높다고 합니다.
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