소행성대(小行星帶, Asteroid belt)는 태양계에서 화성의 궤도와 목성의 궤도 사이에 위치한 원반 모양의 영역이다. 이 영역에는 수많은 소행성(소행성체)이 태양 주위를 공전하고 있으며, 간혹 근지구 소행성이나 트로이군과 구별하기 위해 '주 소행성대'(Main asteroid belt) 또는 '메인 벨트'(Main belt)라고도 부른다.
위치와 범위
소행성대는 태양으로부터 평균 거리 약 2.2 AU에서 3.3 AU(천문단위, 1 AU는 지구-태양 평균 거리) 사이에 걸쳐 있으며, 공전 주기는 약 3.3년에서 6.0년 사이이다. 소행성대의 안쪽 경계는 목성과의 4:1 궤도 공명이 일어나는 약 2.06 AU 지점으로 보며, 바깥쪽 경계는 2:1 궤도 공명이 일어나는 약 3.27 AU 지점으로 본다.
구성과 질량
소행성대 전체 질량의 합은 약 2.39×10²¹ kg으로, 이는 지구의 달 질량의 약 3~4%에 해당한다. 소행성대 질량의 절반가량은 가장 큰 네 개의 천체인 세레스(Ceres, 지름 약 950km), 베스타(Vesta, 지름 약 525km), 팔라스(Pallas, 지름 약 510km), 히기에이아(Hygiea, 지름 약 410km)가 차지한다. 이 중 세레스는 2006년 국제천문연맹(IAU)에 의해 왜행성(dwarf planet)으로 재분류되었다. 소행성대에는 지름 1km 이상의 소행성이 약 70만~170만 개 존재하는 것으로 추정된다.
구성 성분
소행성대의 소행성은 분광학적 성질에 따라 크게 세 가지 유형으로 분류된다.
- C형(탄소질) 소행성: 전체 소행성의 75% 이상을 차지하며, 소행성대 바깥 부분에 주로 분포한다. 탄소 함량이 높고 반사율이 낮다.
- S형(규소질) 소행성: 전체의 약 17%를 차지하며, 2.5 AU 이내의 소행성대 내부에 많이 분포한다. 규소와 일부 금속 원소를 포함한다.
- M형(금속질) 소행성: 전체의 약 10%를 차지하며, 철과 니켈이 주성분으로 추정된다.
기원과 형성
소행성대는 원시 태양 성운의 미행성(planetesimal) 무리로부터 형성된 것으로 설명된다. 일반적으로 미행성들은 서로 강착하여 원시 행성으로 성장하지만, 화성과 목성 사이의 영역에서는 목성의 강한 중력 섭동으로 인해 미행성들이 안정적으로 뭉치지 못하고 충돌과 분산을 반복하였다. 이로 인해 하나의 행성으로 성장하지 못하고 수많은 작은 천체들이 흩어진 채 남게 되었다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 소행성대는 최초에 지구 질량 정도의 물질을 가지고 있었으나, 태양계 형성 후 약 100만 년 이내에 질량의 99.9%가 방출되어 현재의 상태가 되었다.
궤도와 커크우드 간극
소행성대 내에는 소행성이 거의 존재하지 않는 특정 구간들이 있는데, 이를 커크우드 간극(Kirkwood gap)이라고 한다. 1866년 미국의 천문학자 다니엘 커크우드가 발견한 이 현상은, 소행성의 공전 주기가 목성의 공전 주기와 단순한 정수비(예: 3:1, 5:2, 2:1 등)를 이루는 궤도에서 궤도 공명이 발생하여 소행성이 다른 궤도로 밀려나가기 때문에 발생한다.
소행성족
소행성대의 소행성 중 약 3분의 1은 서로 비슷한 궤도 요소(긴반지름, 이심률, 경사각)와 스펙트럼 특성을 공유하는 소행성족(asteroid family)에 속한다. 이는 과거 더 큰 모체가 충돌로 분해되어 형성된 것으로 추정된다. 대표적인 소행성족으로는 플로라족, 에우노미아족, 코로니스족, 에오스족, 테미스족 등이 있다.
탐사 역사
소행성대를 최초로 통과한 탐사선은 1972년 파이어니어 10호(Pioneer 10)였다. 이후 파이어니어 11호, 보이저 1호·2호, 갈릴레오, 카시니-하위헌스, 스타더스트, 뉴 허라이즌스, 로제타 등 다수의 탐사선이 소행성대를 안전하게 통과하거나 통과하며 소행성을 관측하였다. 돈(Dawn) 탐사선은 2011년부터 2012년까지 베스타를, 2015년부터 세레스를 공전하며 장기간 탐사를 수행한 대표적인 임무이다. 대중의 인식과 달리 소행성대는 매우 넓은 공간에 천체들이 흩어져 있어, 탐사선이 소행성과 충돌할 확률은 10억 분의 1 이하로 추산된다.
발견의 역사
1766년 요한 티티우스가 제시하고 1772년 요한 보데가 공표한 티티우스-보데 법칙(Titius-Bode law)은 화성과 목성 사이에 미지의 행성이 존재할 것이라고 예측하였다. 이에 따라 천문학자들은 해당 영역을 탐색하였고, 1801년 1월 1일 이탈리아의 주세페 피아치(Giuseppe Piazzi)가 최초의 소행성인 세레스를 발견하였다. 이후 1802년 팔라스, 1804년 유노, 1807년 베스타가 잇따라 발견되면서 이 영역에 다수의 작은 천체가 존재함이 확인되었고, 윌리엄 허셜(William Herschel)이 이들을 '소행성'(asteroid)으로 명명할 것을 제안하였다. 19세기 중반 이후 발견이 가속화되어 현재까지 수십만 개의 소행성이 등록되었다.
