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천문학

카시니 데이터는 토성의 젊음을 계속 밝히고 있다.

카시니 데이터는 토성의 젊음을 계속 밝히고 있다. 

(Cassini Continues to Unveil Youth at Saturn)


     2017년 9월 15일 토성에 뛰어들면서 마지막을 장식한, 카시니(Cassini) 우주선의 마지막 궤도 비행에 의한 데이터들도, 토성의 장구한 연대를 지지하지 않았다. 과학자들은 카시니(Cassini) 우주선의 새로운 데이터들이 자신의 신념을 확인해주기를 희망하고 있었다. 2004년 카시니가 토성에 도착하기 이전에, 행성 고리를 연구하는 과학자들은 토성의 고리(rings)가 젊다는 것을 보여준 보이저(Voyager) 호의 데이터로 인해(기존 모델에 따르면 토성의 고리는 토성보다 훨씬 젊다) 곤혹스러워 했었다. 13년의 궤도 비행 후에 카시니(Cassini)의 데이터들은 토성과 토성 고리(Saturn’s rings)의 나이에 대한 그들의 예측을 벗어나고 있었다. Astrobiology Magazine(2017. 10. 17)은 JPL(2017. 10. 16) 보도자료를 바탕으로, 카시니의 새로운 발견을 발표했다. 몇 가지 발견은 연대 문제와 관계된 것이다. 토성의 현상은 수십억 년 동안 지속될 수 있었는가?


토성의 젊은 고리

토성의 고리를 연구하는 과학자들은 점점 더 복잡해졌다. 토성의 B-고리의 날카로운 가장자리는 위성 미마스(Mimas)와의 공명에 의해 꽤 잘 설명된다. 그러나 바깥쪽 A-고리의 날카로운 가장자리는 한 위성(Janus)으로 설명될 수 없다. 새로운 이론에 따르면, 판(Pan), 아틀라스(Atlas), 프로메테우스(Prometheus), 판도라(Pandora), 에피메테우스(Epimetheus), 미마스(Mimas), 야누스(Janus)와 같은 7개 위성들이 제한된 고리의 경계를 유지하기 위해서 협력하고 있다고 주장한다. Science Daily(2017. 10. 17) 지의 설명에 따르면, 그 이유는 고리들이 확산되는 경향이 있기 때문이라는 것이다. Astrobiology Magazine은 이 이슈를 다루고 있었다 :

과학자들이 카시니 데이터를 사용하여 답하기를 원하는 질문들 가운데 핵심은, 고리의 나이와 기원이다. 이론적 모델링에 따르면, 고리들이 이탈하지 않도록 붙잡고 있는 힘이 없다면, 고리들은 수억 년의 세월 동안 확산되어 퍼져나갔을 것이다. 고리는 토성 자체보다 훨씬 젊다. 이러한 확산은 토성을 가깝게 선회하는, 빠르게 움직이는 입자들이 때때로 더 멀리 떨어진 궤도에서 느리게 선회하는 입자들과 충돌하기 때문에 발생한다. 이런 일이 발생하면, 빠른 입자들의 일부 운동량이 느린 입자들로 옮겨지고, 느린 입자를 가속화시켜, 바깥으로 멀리 움직이도록 한다. 빠른 내부 입자들에서는 그 반대 현상이 발생한다.

토성의 여러 위성들은 토성의 A-고리가 확산되어 퍼져나가는 것을 막아준다는 것이다. 카시니가 촬영한 이 사진은 고리의 밀도파가 작은 위성에 의해서 만들어지는 것을 명확하게 보여주고 있다. 파도는 비닐 케이스에 생겨난 주름처럼(그림 우측 중간) 보인다. (Credit: NASA)

위성공명 이론(moon resonance theories)은 위성들이 각운동량의 일부를 흡수하도록 허용한다. 문제는 이 섬세한 고리의 배열이 어떻게 수십억 년 동안 유지될 수 있었는가 하는 것이다. 그 답으로 라드완 타제딘(Radwan Tajeddine)이 말한 것과 같은 인격화 오류는 도움이 되지 않는다. 타제딘은 이렇게 말했다 : ”이들 모든 위성들은 고리를 유지하기 위해 그룹으로 활동합니다. 함께 하면, 그들은 강합니다. 연합했기 때문에 유지되고 있는 것입니다.” 위성들은 어떤 생각을 할 수 없다. 위성들은 무슨 일이 일어나는지 신경 쓰지 않는다. 위성들과 고리는 그것들에 가해지는 힘을 단순히 따르는 것일 뿐이다. 요점은 오늘날 A-고리가 날카로운 모서리를 갖도록 힘이 모여지고 있는 것을 우리가 보고 있지만, 그것이 수십억 년 동안 지속될 수 있을까? 라는 것이다. 프로젝트 과학자 린다 스필커(Linda Spilker)는 협동하는 위성들이라는 타제딘의 제안과 함께, ”만약이 위성들이 함께 작동하지 않는다면, A-고리는 수억 년도 되지 않아 확산되어 사라졌을 것”이라고 말했다.(New Scientist. 2017. 10. 17). 그러한 연대는 오랜 기간처럼 들리지만, 1억 년은 태양계의 추정 나이의 3%도 되지 않는다는 기간이다.

카시니가 촬영한 이 사진은 토성에서 134,500km 떨어진 곳에 있는 토성의 A-고리(왼쪽)에 밀도파(a density wave)를 보여주고 있다. 밀도파는 행성으로부터 일정 거리에 있는 입자들의 누적이다.(2017. 1. 27). 

이 사진은 토성의 B-고리 바깥쪽에 있는 영역을 보여준다. NASA의 카시니 우주선은 이 지역을 이전에 관측했던 것보다 2배나 더 세밀하게 관측했다. 그리고 이러한 모습들은 밝혀야할 많은 세부적 사항들이 있음을 가리키고 있다.


태고에 형성된 젊은 모습의 고리? : 토성은 천문학자들에게 아직도 수수께끼이다.(Space.com. 2017. 4. 4). 천체 물리학자인 폴 서터(Paul Sutter)는 토성 고리 관측의 역사를 리뷰하고, 마침내 '토성의 모순', 즉 고리의 장구한 나이에 반대되는 증거들을 설명해야 했다. 고리의 순도는 고리의 나이가 젊음을 분명하게 가리키고 있었다. 그러나 서터는 고리의 오래된 나이를 유지하기 위해서, 토성의 고리가 형성됐던 가장 좋은 시기는 행성이 형성됐을 시기였을 것이라고 제안했다. ”그러므로, 이것들은 오래된 고리이다.” 상상력이 관측을 뛰어 넘고 있었다.


열 위상 곡선으로 유추되는, 토성의 고리 및 고리 입자들의 표면 거칠음.(Icarus. 2017. 10). 이 논문은 토성 고리의 나이를 구체적으로 다루고 있지는 않지만, 고리가 역동적인 시스템이며, 엉겨붙음, 침식, 거칠어짐에 노출되어 있음을 독자들에게 상기시켜주고 있다. 이러한 과정 속에서 고리가 45억 년 동안 지속될 수 있었을까?

.토성과 토성의 고리(NASA's Cassini spacecraft.).


토성의 놀라운 고리들: 카시니가 해결한 매혹적인 미스터리.(Fox News Science. 2017. 8). 보이저 (Voyager)의 관측 이후에 토성 고리의 나이에 대한 수수께끼를 독자들에게 상기시키면서, 이 기사는 독자들에게, 고리 입자들이 끊임없이 서로 밀치며, 덩어리지고, 흩어지며, 분산되고 있음을 상기시켜주고 있었다. 특별히 F-고리는 프로메테우스(Prometheus)에 의해서 자주 폭격을 당하고 있었다. 이것은 얇은 F-고리를 '찌르고', 입자들을 바깥으로 내보내게 한다. 또한 토성의 고리들은 오래되었다면 예상되는 것보다 훨씬 밝다. 데이터가 암시하는 것처럼, 고리가 단지 1억 년의 나이라고 하더라도, 한 소행성이 깨뜨리는 것과 같은, 한 번의 단일한 사건으로도 만들어질 수 없다는 것을 카시니는 보여주었다.


토성의 A-고리에서 직접 탐지된 틈새.(Icarus. 2017. 11). 자외선 분광기에 의해서, 토성의 A-고리에서 거의 50만 개의 틈새들이 탐지되었다. 고리 수명을 다루지는 않았지만, 이 발견은 이러한 틈새들의 구조와 역동성은(모델에 따른 자기-중력 항적에 의해서 야기된) 이들 구조가 수십억 년 동안 지속될 수 없음을 가리킨다.


토성의 젊은 대기

이것은 고리가 젊다는 것을 나타내는, 카시니의 유일한 발견이 아니다. 고리의 밝기 또한 설명할 수 없는 채로 남아 있다. 오염물질이 시간이 지남에 따라 고리를 '더럽게' 만들기 때문에, 고리는 훨씬 더 어두워야만 한다. 스퍼터링(sputtering, 원자 규모에서의 침식), 햇빛의 압력, 미세운석 폭격, 가스 항력...등과 같은 다른 힘들은 그들의 통행료를 요구한다. 카시니가 마지막을 장식하며 토성의 대기를 채취했을 때, 이온 및 중성질량 분광계와 우주먼지 분석기는 고리 물질들이 토성으로 떨어지고 있음을 확인했다. Nature(2017. 10. 18) 지는 행성과학자들이 대부분 물-얼음을 발견할 것으로 예상했었지만,

카시니는 물 대신에 일산화탄소와 더 복잡한 분자가 될 수 있는 메탄을 포함하여, 여러 화학물질들을 발견했다. 이들 화학물질의 농도는 토성의 적도 부근과 높은 고도에서 가장 높았다. 이것은 물질들이 토성의 고리에서 흘러내리고 있음을 의미한다.

이러한 물질들은 예측되지 않았던 것이라고 그 기사는 말한다. 그들이 정말로 고리에서 온 것이라면, 고리는 얼마나 오랫동안 그러한 분자들을 공급할 수 있었을까?

페리 연구팀은 토성의 고리에서 빠져나올 수 있는 물질들의 유형을 분석함으로써, 물질들은 작은 먼지 입자들의 조각들로, 크기가 1~10 나노미터에 불과하지만, 비교적 무거운 것들임에 틀림없다고 결론지었다. 이들 입자들이 토성의 고리에서 나선형으로 떨어져나와 카시니의 질량분석기에 부딪쳤을 때, 그것들은 더 작은 조각들로 부서졌다.

그 입자들이 정확히 어떻게 고리에서 빠져나와 대기 중으로 여행하게 됐는지는 알지 못한다. ”우리는 그 입자들이 어떻게 거기에 들어왔는지 이해하기 위해서 해야할 일이 많다.” 페리가 말했다. ”어느 모델도 이것을 예측하지 못했다.”

그래서 토성의 상층부 대기에는 물 외에 훨씬 더 많은 것들이 있다는 것이다. 카시니가 토성과 토성의 고리 사이를 22번 지나가면서도 살아남았다는 사실이 증거하는 것처럼, 고리로부터 흘러드는 물질의 밀도는 극도로 희박함에 틀림없다. 그럼에도 불구하고, 45억 년이라는 기간은 거대한 중력의 진공청소기를 가진 자이언트 행성으로, 아직도 고리의 물질들이 나선형으로 떨어지기에는 너무도 오랜 시간이다.


토성의 젊은 위성 엔셀라두스

과학자들은 엔셀라두스(Enceladus)의 나이를 오랜 연대와 적합시키기 위해, 아직도 고심하고 있다. 토성의 작은 위성 엔셀라두스의 남극 부근에서 분출하고 있는 간헐천들은, 아마도 카시니가 발견한 3대 놀라운 관측 중 하나일 것이다. New Scientist(2017. 10. 17) 지에서 레아 크레인(Leah Crane)은 분출되고 있는 물기둥들이 국제우주정거장에서 노즐을 통해 우주로 배출되고 있는 ‘우주비행사의 오줌’을 닮았는지를 물어봄으로서, 이중 의미를 사용하고 있었다. 유사성보다는 많은 차이가 있을 것이다. 문제는 이것이다. 다른 모든 이차적인 것들은 제쳐놓고라도, 엔셀라두스가 초당 200kg(1년에 17,280,000kg)의 물을 어떻게 수십억 년 동안, 아니 수백만 년 동안만이라도, 어떻게 분출해왔으며, 지금도 분출할 수 있는가? 하는 것이다.



카시니 우주선이 지난 13년 동안 궤도 비행으로 수집했던, 635GB의 과학적 데이터들이 분석을 기다리고 있다. 이것들의 분석에는 수년 아니, 수십 년이 걸릴 수도 있다. 예를 들어, 과학자들은 2005년에 타이탄의 대기에서 수집한 분자들을 아직도 분석 중이다.(Phys.org. 2017. 10. 18). 이미 약 4,000여 편의 논문들이 발표되었다. 젊은 과학자들은 카시니의 데이터로 박사 학위를 받을 수도 있을 것이다. 그것들 중 토성, 타이탄, 엔셀라두스, 고리가 수십억 년의 연대와 적합하다는 논문이 발표될 수 있을까? 모든 결과들이 부적합하다는 신호를 나타낸다면, 그것은 가망이 없다는 신호인 것이다.



번역 - 미디어위원회

링크 - https://crev.info/2017/10/cassini-data-continues-unveil-youth-saturn/

          https://crev.info/2017/08/cassini-not-made-saturns-rings-old/

출처 - CEH, 2017. 10. 20.

구분 - 4

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=6715

참고 : 6517|5662|4388|4216|4123|2100|6454|5942|5937|5508|5422|4750|4622|4180|3955|6169|6362|6140|5982|5890|5012|4327|4263|6473|5811|6068|5077|4065|4051|6708|6538|6509|6482|6460|6412|6398|6368|6357|6356|6343|6342|6298|6273|6267|6261|6231|6213|6202|6195|6194|6121|6045|5993|5987|5929|5865|5846|5833|5798|5791|5777|5745|5696|5693|5685|5659|5585|5575|5537|5404|5388|5329|5304|5187|5188|5184|6301|6334|6339|6344|6348|6367|6375|6377|6395|6404|6427|6428|6478|6498|6518|6577|6601|6616|6631|6666|6667|6672




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