M33와 안드로메다 위성의 과거 교류: 피시스와 안드로메다 XVI의 그룹 흡수 가능성

초록

피시스(LGS 3)와 안드로메다 XVI가 현재는 M31의 위성이지만, 역궤도 적분 결과 약 60%와 42%의 경우 각각 과거에 M33의 위성으로 존재했을 가능성이 있다. 두 은하 모두 1–2 Gyr 전 M33와 빠른 속도로 근접 통과했으며, 이후 서로도 가까이 접근해 같은 궤도면을 공유한다. 이는 M33–M31 사이의 위성 교환 혹은 그룹 흡수 시나리오를 뒷받침한다.

상세 분석

본 연구는 ΛCDM 모형이 예측하는 M33 주변 위성 수와 실제 관측된 위성 부족 현상을 해소하기 위해, 두 개의 잘 알려진 M31 위성인 피시스(LGS 3)와 안드로메다 XVI의 6차원 위상공간 정보를 활용하였다. 최신 HST와 Gaia 기반의 적절운동(PM)과 시선속도(LOS)를 결합하고, M31, M33, MW, LMC, 그리고 각각의 위성을 질량을 고려한 반강체 포텐셜로 모델링한 뒤, 6 Gyr까지 역방향 Leapfrog 적분을 수행했다.

핵심 결과는 다음과 같다. 첫째, 피시스와 안드로메다 XVI는 현재 M31의 바이럴 반경(Rvir≈329 kpc) 안에 있으며, 대부분이 첫 번째 낙하(infall) 단계에 있다. 둘째, 두 은하 모두 M33의 바이럴 반경(Rvir≈161 kpc) 안으로 진입한 적이 있으며, 그 시점은 1–2 Gyr 전으로 추정된다. 특히 피시스의 경우 60%의 궤도 시뮬레이션이 M33 내부에 있었던 적을 보이며, 안드로메다 XVI는 42%가 해당한다.

세 번째로, M33와의 근접 통과 시 상대 속도가 M33의 탈출속도보다 크게(>~200 km s⁻¹) 측정되어, 실제로는 ‘바운드 위성’이라기보다 ‘일시적 스키퍼’에 가까운 궤적을 가졌다. 이는 M33가 최근 M31과의 근접 통과(fly‑by)를 겪으며 위성들을 흔들어 놓았을 가능성을 시사한다.

네 번째로, 두 위성은 M33와의 상호작용 이후에도 서로 70% 이상의 확률로 가까이 접근했으며, 궤도면이 거의 동일한 x‑z 평면에 제한된다. 이는 동일한 입구(공동 입체) 혹은 그룹 흡수(group infall) 시나리오를 강하게 뒷받침한다.

마지막으로, M31과 M33의 질량 조합을 변동시켰을 때, 위성으로서의 과거 존재 확률이 크게 변한다는 점을 확인했다. M33의 질량을 높게 잡을수록, 그리고 M31의 질량을 낮게 잡을수록 두 위성이 M33의 위성일 가능성이 증가한다. 이는 관측된 위성 정의(거리 기반)와 실제 동역학적 연결성 사이의 차이를 강조한다.

이러한 결과는 (1) M33가 자체 위성군을 보유하고 있었음에도 현재는 거의 사라진 ‘위성 소멸’ 현상을 설명하고, (2) 위성 간 교환 및 그룹 흡수가 로컬 그룹 내에서 흔히 일어나는 과정임을 보여준다. 또한, 위성 정의를 단순 거리 기준이 아닌 동역학적 기준으로 재정립해야 함을 시사한다.