40년 전 보이저호는 목성의 79개의 위성 중 하나인 유로파(Europa)의 첫번째 클로즈업 이미지를 촬영했습니다. 사진 속 유로파의 모습은 표면에 갈색의 갈라진 균열(crack)이 표면을 가로지른 모습이었습니다. 이후 수십 년 동안 외부 태양계 시스템에 대한 미션을 통해 유로파에 관한 추가 정보들이 축적됐습니다. 유로파는 NASA가 외계생명체 찾을 때 최우선 순위로 고려하는 연구 타깃이기 때문이죠.
유로파가 과학자들에게 매력적인 천체인 까닭은 이 천체에 생명체에 필요한 모든 성분들이 존재할지도 모르기 때문입니다. 과학자들은 그 성분 중 하나인 액체 상태인 물이 유로파에 존재한다는 증거를 가졌습니다. 유로파의 얼음으로 뒤덮인 표면 아래 존재하는 액체 상태의 물은 때때로 거대한 간헐천을 통해 우주로 분출됩니다. 그러나 이 물 분자 자체를 직접 측정해 물줄기 속 물의 존재를 확인한 과학자는 아직 아무도 없습니다.
그런데 NASA 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)에서 이끄는 국제 연구팀이 유로파 지표에서 처음으로 수증기를 검출했습니다. 이는 연구팀은 하와이에 있는 세계에서 가장 큰 망원경 중 하나를 이용해 유로파를 관찰해 얻은 성과입니다.
유로파, 액체 상태 물 정말 있나
유로파 표면 수증기를 확인하는 일은 과학자들이 유로파의 내부 활동을 더 잘 이해하도록 해줍니다. 가령, 유로파 내부에 지구의 두 배 정도되는 액체 상태의 해양이 존재한다는 아이디어를 뒷받침해줍니다. 사실 이는 과학자들이 꽤 확신하는 관측입니다. 물론, 일부 과학자들은 유로파 표면에서 그리 멀지 않은 곳에 얼음이 녹아 만들어진 얕은 저수지가 간헐천에서 나오는 물의 근원지라고 추측합니다. 혹은 목성의 강력한 복사장(radiation field)이 유로파의 얼음으로 뒤덮인 지표에서 물 입자를 벗겨낼 가능성도 존재합니다. 하지만 이는 최근 조사에서 관찰된 물의 공급원으로 부적절한 매커니즘이란 점이 밝혀졌습니다.
NASA의 행성과학자이자 이번 연구를 이끈 Lucas Paganini는 "생명체에 필요한 세 가지 조건 중 두 가지에 해당하는 '필수 화학원소(탄소, 수소, 산소, 질소, 인, 황)'와 '에너지의 근원'은 태양계 전역에서 발견된다"며 "그러나 세번째 조건인 액체 상태의 물은 지구 너머에서 발견하긴 어렵다"고 말합니다. 덧붙여 "과학자들은 아직 액체 상태의 물을 직접적으로 발견하지 못했지만 차선책이 될 수 있는 수증기 형태의 물을 발견했다"고 전했습니다. Lucas Paganini와 그의 연구팀이 <Nature Astronomy>에 게재한 연구에 따르면 유료파에서 방출되는 물은 초당 2,360kg정도 됩니다. 즉 유로파에는 올림픽 규격의 수영장을 단 몇 분내로 채울 수 있을 만큼 충분한 양의 물이 존재한다는 겁니다.
그러나 과학자들은 지구에서 감지할 수 있을 만큼 많은 양의 물은 드물게 나타난다는 사실을 발견합니다. 이에 대해 Lucas Paganini는 "나에게 이 연구에서 흥미로운 점은 유로파에서 물을 직접 감지했다는 사실 뿐 아니라, 우리의 관측 방법의 한계로 많은 양의 물이 드물게 감지된다는 사실에도 있다"고 전하는데요. 실제로 Lucas Paganini 연구팀은 2016년과 2017년 사이 17일 간 관측한 결과 희미하지만 뚜렷한 수증기 신호를 단 한 번 감지했습니다.
하와이의 휴화산 마우나 케아(Mauna Kea volcano)산 정상의 켁 천문대(W. M. Keck Observatory)에서 유로파를 관측했을 때 과학자들은 유로파의 leading hemisphere, 혹은 항상 목성을 돌고 있는 유로파 궤도의 방향을 마주보고 있는 유로파 측면에 있는 지점에서 물 분자를 관측했습니다. 참고로 유로파는 지구의 달과 마찬가지로 모행성에 중력적으로 고정돼 있습니다. 그래서 leading hemisphere는 항상 궤도의 방향을 향하며 trailing hemisphere는 항상 반대 방향을 향하고 있습니다.
과학자들은 켁 천문대(W. M. Keck Observatory)에서 분광기를 이용해 유로파 대기의 화학적 구성에 따라 흡수되거나 방출되는 적외선을 측정했습니다. 물 분자는 태양 복사선과 상호 작용할 때 특정한 적외선 주파수를 방출합니다.
물에 대한 증거, 쌓여간다
최근 수증기가 검출되기 전 유로파에서는 과학자들을 흥분시키는 발견들이 이어졌습니다. 먼저 NASA의 갈릴레오호(Galileo spacecraft)의 데이터에서 나온 발견을 보죠. 이 우주선은 1995년부터 2003년까지 거대한 가스 행성 주위를 도는 유로파 근처에서 목성 자기장의 섭동을 측정했습니다. 이 측정을 통해 과학자들은 유로파의 얼음으로 뒤덮인 지표 아래는 염분이 많은 해양이 있을지 모른다고 추측했습니다. 이러한 전기 전도성의 액체가 목성의 자기장 섭동의 원인이라고 생각했죠. 이후 자기장 섭동에 관해 더 면밀하게 조사한 결과 2018년 과학자들은 물기둥 때문일 수 있다는 증거를 발견했습니다.
그 사이에 과학자들은 2013년 NASA 허블우주망원경을 이용해 수소와 산소, 즉 물의 성분을 유로파 대기에서 물기둥 같은 형태로 검출했다고 발표했습니다. 그리고 몇 년 후, 다른 과학자들은 허블우주망원경을 이용해 유로파가 목성 앞을 지날 때 실루엣처럼 보이는, 물기둥이 분출되는 사진을 포착하며 더 많은 증거를 수집했습니다. 2013년 허블 연구를 이끌었고 최근 연구의 공동 저자이기도 한 스톡홀름 스웨덴왕립공과대학(KTH Royal Institute of Technology) 천문학자이자 물리학자 Lorenz Roth는 "유로파에서 수증기를 처음으로 직접 발견한 것은 우리가 원래 발견하려던 원자 종류를 확인한 중요한 발견이며 이는 유로파에서 희미하게 눈에 띄던 거대한 물기둥을 강조한다"고 말합니다.
유로파에 대한 비밀 밝히려면
이번 연구에서는 유로파 지표의 물 성분을 측정했습니다. 문제는 다른 천체에서 이러한 수증기를 발견하는 것이 어렵다는 겁니다. 기존의 우주선은 이를 탐지할 능력이 제한적입니다. 또, 더 먼 우주에서 물을 찾기 위해 지상 망원경을 사용하는 과학자들은 지구 대기에서 발생하는 물의 왜곡되는 효과를 고려해야합니다.
이러한 영향을 최소화하기 위해 Lucas Paganini 연구팀은 지구의 대기 조건을 시뮬레이션하기 위해 복합적인 수학모델링 및 컴퓨터 모델링 기술을 사용했습니다. 이는 켁 천문대의 분광기로부터 얻은 데이터에서 지구 대기의 물과 유로파 기원의 물을 구별하기 위한 것이었습니다. 고다드 우주비행센터의 Lucas Paganini 연구팀 소속 행성과학자인 Avi Mandell는 "지상 관측에서 발생할 수 있는 오염 물질을 제거하기 위해 부지런히 안전 점검을 했다"며 "하지만 결국 우리는 유로파에 더 가까이 다가가야 진짜 무슨 일이 벌어지고 있는지 볼 수 있을 것"이라고 말합니다.
과학자들은 머지 않아 유로파에 충분히 가까이 다가갈 수 있을 겁니다. 이 행성이 거주 가능한 곳인지 여부 등 유로파의 내외부 활동에 대한 의문점들을 해결할 수 있을 겁니다. 2020년 중반 발사 예정인 '유로파 클리퍼 미션(Europa Clipper mission)'이 유로파에 도착하면, 유로파의 지표, 깊은 내부, 얇은 대기, 지표 아래 해양, 그리고 잠재적으로 더 작은, 활동적인 분출구(vent)에 대한 상세한 조사가 이뤄질 겁니다. 또한 물기둥의 이미지를 찍고 대기에서 발견되는 분자들을 질량분석계로 샘플링할 겁니다. 그리고 더 미래에 유로파에 착륙하게 될 착륙선이 샘플을 채취하기 적합한 지점이 어디인가 찾을 겁니다. 이러한 과학자들의 노력은 유로파의 비밀과 그곳의 생명체의 잠재적 가능성에 대해 밝혀줄 전망입니다.
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