• 서론

 

토성의 위성 엔셀라두스는 물과 얼음이 솟구쳐 나오는 얼음화산(Cryovolcanoes)으로 가득한데요. 지구에서는 일반적으로 용융된 암석이 맨틀플룸을 형성하지만, 엔셀라두스에서는 맨틀플룸 안에 다량의 물이 있다고 해요. 엔셀라두스는 지표가 얼음으로 뒤덮여 있는데요. NASA의 카시니 우주선이 수집한 자료에 따르면 지하에는 숨겨진 해양이 존재할 가능성이 높은 천체입니다.

 

이곳의 남극에서는 '호랑이 줄무늬(tiger stripes)'를 발견했습니다. 이 줄무늬 혹은 지표의 균열을 통해 우주로 분출되는 간헐천의 물질은 물질은 해양에서 나오는 것으로 추정됩니다. 엔셀라두스는 토성 주위를 편심성 궤도(eccentric orbit)로 돌고 있어 중력 변화로 인해 엔셀라두스를 약간 늘려버려 고체 상태로 얼지 않습니다.

이번 연구의 주요 저자인 Doug Hemingway는 "토성을 탐사하는 카시니호가 처음 발견한 이 줄무늬는 태양계에서 알려진 다른 어떤 것과도 같지 않다"며 "길이 130km, 간격 35km 정도로 평행하면서도 고르게 분포돼 있다"고 전했습니다. 덧붙여 "흥미로운 점은 지금도 계속해서 수빙을 분출하고 있다는 것"이라며 "얼음으로 뒤덮인 다른 행성이나 위성에서는 이와 비슷한 것을 가지고 있지 않다"고 밝혔습니다. 이번 연구에서는 왜 남극에서만 규칙적인 간격을 두고 평행한 균열이 만들어졌는지 그리고 왜 다른 얼음으로 뒤덮인 천체에서 비슷한 균열이 관찰되지 않았는지 밝히고자 했습니다. 

• 연구 방법

 

엔셀라두스에서 균열이 만들어지고 제자리에서 유지하게 만드는 물리적인 힘을 밝혀내는 모델링을 진행했습니다. 일단 지표에 처음 인장 균열이 만들어지면 빠르게 아래로 확장될 겁니다. 연구진은 선형탄성파괴역학(linear elastic fracture mechanics, LEFM)모델을 개발해 이 균열의 최대 침투 깊이를 계산했습니다. 

오랜 시간 동안 엔셀라두스 표면 근처에서는 차가운 얼음이 탄성응력(elastic stresses)을 지지하지만 지각 아래 따뜻해진 얼음은 점성 액체처럼 움직이며 탄성응력을 따르지 않는다고 가정합니다. 지표 아래 해양이 가압되면서 인장력이 탄성층 전체에 발생하고, 만약 이러한 응력이 얼음의 인장력을 초과할 경우 지표에서 균열은 시작되고 아래로 확장하게 됩니다. 

 

• 연구 결과

엔셀라두스는 토성 주위를 편심성 궤도(eccentric orbit)로 돌고 있습니다. 때론 토성과 더 가까워졌다가 멀어졌다 하는데요. 이러한 과정에서 중력 변화로 인해 엔셀라두스는 약간 늘어납니다. 이 때문에 엔셀라두스 내부 열이 발생해 고체 상태로 얼지 않는 겁니다.

 

모델링 결과 이렇게 변형되는 엔셀라두스에서 특히 극지방의 빙상은 더 얇아지고 갈라지기 쉽다는 사실을 밝혀냈습니다. 토성의 중력으로 인한 조석(tidal)의 영향으로 발생한 균열은 그렇게 '열려버린 채' 지속됐고 이곳에서 엔셀라두스 지하의 바닷물이 끊임없이 분출됐습니다. 

 

연구진은 호랑이 줄무늬를 구성하는 균열은 남극 뿐만 아니라 북극에서도 형성될 수 있었지만, 남극에 먼저 균열이 생겼을 뿐이라는 결론에 도달합니다. 또한 연구진은 이 줄무늬가 평행하다는 사실도 발견합니다. 

 

• 논의

 

내부모델(Interior model)에 따르면 남극 부근의 얼음으로 뒤덮인 지각의 두께는 9km인 반면 북극은 15km에 가까운 것으로 보입니다. 분출된 얼음 알갱이들이 내부의 해양에서 나온 것으로 보이며 호랑이 줄무늬는 얼음으로 뒤덮인 지각을 완전히 관통하는 균열이라고 고려할 때 이는 지하의 해양의 직접적인 수로가 될 수 있습니다. 

호랑이 줄무늬가 평행한 이유는 지표면의 균열이 이 상태로 지속됐고  이 갈라진 틈으로 바닷물이 분출되며 또 다시 세 개의 평행한 균열이 생겼기 때문입니다. 

 

분출되는 물은 얼었다가 아래로 떨어지면서 첫번째 균열 가장자리를 따라 눈과 얼음이 쌓였습니다. 이로 인해 하중이 증가됐고 빙상에 새로운 압력을 가하며 또 다른 균열이 발생했습니다. 

 

• 결론

엔셀라두스는 편심성 궤도(eccentric orbit)로 인해 내부 가열(internal heating) 효과를 겪게 됩니다. 엔셀라두스는 때때로 토성에 가까이 갔다가 멀어지곤 하는데, 이 때 이완되면서 약간의 변형이 발생합니다.

 

엔셀라두스가 완전히 얼지 않는 것이 바로 이 과정 때문입니다. 이렇게 엔셀라두스 균열을 형성하는 가장 중요한 것은 중력이 유도하는 변형에 대해 극 지방이 가장 많은 영향을 받아 그 지역의 빙상이 가장 얇아진다는 사실입니다. 

엔셀라두스가 점진적으로 냉각되는 기간 동안 해저 대양의 일부 바다는 얼게 될 겁니다. 물은 얼면서 팽창하기 때문에 얼음으로 뒤덮인 지각의 하층부는 두꺼워 집니다. 그러면 해저 대양의 압력은 증가하고 결국 빙상이 쪼개지며 개방되고 균열이 만들어집니다. 극지방의 빙상이 가장 얇기 때문에 균열에 가장 취약합니다.  

이번 연구에 참여했던 캘리포니아대학교(University of California) Max Rudolph는 "우리 모델은 균열의 일정한 간격을 설명할 수 있다"며 "얼음이 첫번째 균열의 가장자리를 따라 떨어지면서 하중을 증가시켰고, 이로 인해 빙상은 약 35km 떨어진 곳에서 평행하게 균열을 일으킬 정도로 구부러지게 만들었다"고 설명했습니다.

Doug Hemingway는 "우주생물학자들에게 사랑받는 엔셀라두스의 해저 대양을 표본으로 추출해 연구할 수 있었던 것은 이러한 균열 덕분"이라며 "균열을 형성하고 이를 지탱하는 힘을 이해하는건 중요하다"고 말합니다. 덧붙여 "엔셀라두스의 얼음 지각이 겪는 물리적 효과와 관련한 모델링은 어떻게 엔셀라두스에 이렇게 독특한 줄무늬가 존재할 수 있었는지 그 독특한 일련의 사건과 과정을 보여준다"고 전했습니다. 

 

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##참고자료##

 

• Hemingway, Douglas J., Maxwell L. Rudolph, and Michael Manga. "Cascading parallel fractures on Enceladus." arXiv preprint arXiv:1911.02730 (2019).