토성 위성이 독특한 모양과 색깔 "이유 찾았다"
토성 위성이 독특한 모양과 색깔 "이유 찾았다"
  • 함예솔
  • 승인 2019.04.01 17:50
  • 조회수 2288
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토성하면 역시 고리죠~ 출처:  NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
토성 시그니처 '고리' 출처: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

토성, 하면 단박에 떠오르는 이미지가 바로 '고리'입니다. 토성 고리는 얼음, 바위, 그리고 먼지로 이뤄진 구름이 궤도를 돌며 만들어지는데요. 이 고리들의 간극에도 작은 위성들이 존재합니다. 토성 고리와 인접한 곳에 위치한 판(Pan), 아틀라스(Atlas), 판도라(Pandora), 에피메테우스(Epimetheus)과 같은 위성들이 대표적인데요.

 

토리 고리의 간극 사이에 있는 위성, 판과 아틀라스. 출처: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
토리 고리의 간극에 있는 위성, 판과 아틀라스. 출처: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

이 위성들은 종종 기이한 특징을 보입니다. 판(Pan)과 아틀라스(Atlas) 위성은 비행 접시처럼 생겼습니다. 또, 토성의 위성은 인접한 고리에 따라 색깔이 다를 수 있다고 합니다. 그동안 천문학자들은 왜 이러한 차이가 나타나는지 의문을 가지고 있었습니다. 이에 과학자들은 토성의 고리와 위성 간의 관계는 고리와 위성의 기원 혹은 그 존속과 관련 있다고 생각했습니다. 이전에는 고리 물질이 합쳐지며 위성이 만들어졌거나 혹은 위성이 분해되며 고리가 형성됐다고 여겨져왔습니다.

 

토성 위성 색깔이 서로 다른 이유

 

그런데 <Science>에 게재된 연구에 따르면 카시니호가 토성의 대기 속으로 떨어지기 전 얻은 데이터를 분석을 통해 토성의 위성(moon)의 특이한 색깔이 토성의 고리와 관련 있다는 사실을 밝혀냈다고 합니다. 과학자들은 1997년 토성탐사 임무를 받고 지구를 떠났던 '카시니호' 덕분에 토성의 고리에 접근해 데이터를 수집할 수 있었습니다. 참고로 카시니호는 지난 2017년 20년 간의 임무를 마치고 토성의 대기 속으로 떨어졌습니다.

 

 


카시니호는 지난 2016년과 12월과 2017년 4월 사이 토성 고리를 스치듯 비행하는 미션(Ring-grazing Orbits)을 수행했는데요. 토성 고리와 인접한 판(Pan), 아틀라스(Atlas), 판도라(Pandora), 에피메테우스(Epimetheus)과 같은 위성을 근접 비행(flyby)했습니다. 이를 통해 과학자들은 위성의 형태, 구조, 입자 환경(particle environment), 구성과 같은 데이터와 자외선 및 적외선 열 영상을 얻을 수 있었습니다.

 

NASA의 카시니 우주선은 근접 비행(flyby)동안 이 다섯 개의 토성 위성을 검사했다. 출처: NASA/JPL-Caltech
NASA의 카시니 우주선은 근접 비행(flyby)동안 이 다섯 개의 토성 위성을 검사했다. 출처: NASA/JPL-Caltech

이번 연구의 주요 저자이자 NASA의 제트추진연구소의 천문학자인 Bonnie Buratti는 "이번 임무는 계획됐던 것이 아니었다"며 "카시니호는 웅장한 피날레 동안 토성과 그 고리의 자기권(magnetosphere)만을 살펴보기로 되어 있었지만, 우리는 카시니호가 고리의 위성에 가까이 다가갈 것이라는 것에 주목했고 고리의 위성을 봐야한다고 주장했다"고 현지 언론을 통해 전했습니다. 

 

 

과학자들은 카시니호가 보내온 자료를 분석해 토성의 위성 표면의 색은 '고리의 위치'에 따라 달라진다는 점을 확인했습니다. 판의 경우 가장 붉은 색을 띠는데 이는 고리와 가장 가까운 곳에 위치한 고리의 위성이었습니다. 반면 에피메테우스(Epimetheus)는 고리의 가장 먼 곳에 있었고 강력한 푸른빛을 띱니다.

 

시니호가 찍은 토성의 달 엔셀라두스. 적외선 사진속 색색의 꼬리는 얼음 입자와 물의 분출물을 보여준다. 출처: NASA/JPL/Space Science Institute
카시니호가 찍은 토성의 달 엔셀라두스. 적외선 사진속 색색의 꼬리는 얼음 입자와 물의 분출물을 보여준다. 출처: NASA/JPL/Space Science Institute

이러한 사실은 위성 표면의 광학적 특성이 두 가지 경쟁요인에 따라 달라진다는걸 의미했습니다. 하나는 토성의 주요한 고리 시스템 안에 형성돼있는 철과 유기화합물이 혼합된 붉은색 물질입니다. 또 다른 하나는 물과 얼음이 솟구쳐 나오는 얼음화산(cryovolcanoes)으로 가득한 토성의 위성, 엔셀라두스에서 기인하는 밝은 색의 얼음 입자와 수증기 때문이었습니다.

 

연구원들은 또한 이 위성들의 밀도가 낮다는 것을 발견합니다. 우주에 자연적으로 존재하는 위성(natural satellites)은 밀도가 높은 핵과 합쳐지는 고리의 물질들로부터 만들어지는데요. 때때로 고리의 물질들이 위성의 적도 부근에서 모이게 되는데, 이는 판(pan)과 아틀라스(Atlas)가 왜 비행접시 모양인지 설명하는 데 도움을 줄 수 있다고 합니다.

 

Bonnie Buratti는 "이 고리와 달들은 같은 종류의 물체"라며 "고리는 작은 입자로부터 만들어졌고 위성은 이 입자들의 가장 큰 버전"이라고 말했습니다. 덧붙여 "이 위성들은 계속해서 작은 입자들을 축적하는데, 이같은 특징이 위성 적도 주변의 이상한 치마 같은 모양을 잘 설명해준다"고 전했습니다.

 


##참고자료##


B. J. Buratti et al., “Close Cassini flybys of Saturn’s ring moons Pan, Daphnis, Atlas, Pandora, and Epimetheus”, Science(2019), DOI: 10.1126/science.aat2349


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