소행성 '베누'에서 튕겨 나온 입자, 뭐지?
소행성 '베누'에서 튕겨 나온 입자, 뭐지?
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.05 06:00
  • 조회수 2874
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

  • 요약
소행성 베누(Bennu) 표면에서 튕겨져 나온 입자. 출처: NASA/Goddard/University of Arizona/Lockheed Martin
소행성 베누(Bennu) 표면에서 튕겨져 나온 입자. 출처: NASA/Goddard/University of Arizona/Lockheed Martin

NASA의 오시리스-렉스(OSIRIS-Rex)호는 소행성 베누(Bennu) 표면에서 입자가 방출되는 걸 포착했는데요. 관측된 세 번의 사건들을 통해 배출된 입자의 속도와 크기, 사건 시간, 발원지, 에너지 등을 추정할 수 있었습니다.

  • 서론

 

활성 소행성(Active asteroids)은 지속적인 질량 손실을 보여주는 소행성입니다. 큰 충돌이나 휘발성 방출, 회전 가속으로 인해 발생할 수 있는 먼지 방출이 이에 해당합니다. 이를 연구하면 소행성의 진화와 파괴 그리고 지구의 물 같은 휘발성 물질의 기원을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 방출된 입자의 매커니즘과 활성 소행성의 더 큰 집단을 이해하기 위해 연구진은 베누로부터 방출된 입자와 특성을 분석했습니다. 

오시리스-렉스호와 소행성 베누. 출처: NASA/Goddard/University of Arizona
오시리스-렉스호와 소행성 베누. 출처: NASA/Goddard/University of Arizona

오시리스-렉스(OSIRIS-Rex)호는 지구 근처에 있는 소행성인 베누와 랑데뷰(rendezvoused)했습니다. 오시리스-렉스(OSIRIS-Rex)호의 목표물로 소행성 베누를 선택한 것은 일부 활성 소행성들과 스펙트럼의 유사성을 보였기 때문입니다. 베누에서 대량의 질량 손실을 감지하기 위해 고안된 관측은 지구에서 지구와 우주선의 접근하는 동안 모두 수행됐습니다. 하지만 어떠한 소행성 활동의 흔적은 발견되지 않았습니다. 


그러던 2019년 1월 우주선이 베누의 궤도에 진입했을 때 연구진은 우연히 베누 표면에서 튀어나온 것으로 추측되는 입자를 관찰하게 됐습니다. 연구팀은 소행성 표면에서 방출 된 후 입자들이 잠시 베누의 궤도를 돌다가 다시 표면에 떨어지거나 우주로 방출되는 걸 발견했습니다. 궤도에 진입한지 일주일이 지난 2019년 1월 6일부터 베누의 근일점 도달 4일 전까지 이러한 현상을 관찰할 수 있었습니다. 이후 연구진은 2018년 12월과 2019년 2월 사이 여러 건의 입자 방출 사건을 감지했습니다. 관측됐던 가장 큰 사건에서는 방출된 수십개의 입자를 발견하기도 했습니다.  


오시리스-렉스(OSIRIS-Rex) 연구 책임자인 애리조나대학교(University of Arizona)의 Dante Lauretta는 "베누의 많은 놀라운 일들 가운데 입자의 방출은 우리의 호기심을 자극했고, 이 미스터리를 조사하는데 지난 몇 달을 보냈다"며 "이는 소행성이 어떻게 행동하는지에 대한 우리의 지식을 넓힐 수 있는 좋은 기회"라고 전했습니다. 

 

  • 연구 방법

 

2018년 9월부터 11월까지 우주선이 베누에 접근하는 동안 먼지 탐색이 실시됐습니다. 소행성 활동의 징후는 오시리스-렉스(OSIRIS-Rex)호에 탑재돼 있는 레이저 고도계(Laser Altimeter)를 이용해 검출됐습니다. 2018년 12월 31일 오시리스-렉스(OSIRIS-Rex)호는 베누의 질량 중심으로부터 1.6~2.1km까지 근접했고 편심성 궤도(eccentric orbit)로 진입했습니다. 이 궤도에서 우주선은 더 상세한 조사를 위해 궤도를 이탈하는 2019년 2월 28일까지 계속됐습니다. 

 

초기에는 NavCam1 이미지 세트를 획득해 약 2시간마다 비행동역학팀을 위한 OpNav(optical navigation)데이터를 제공했습니다. 각 이미지 세트는 최대 7분 간격으로 4개의 영상으로 구성돼 있었습니다. 여기에는 베누 지표를 찍은 노출 이미지가 포함돼 있었습니다.  오시리스-렉스(OSIRIS-Rex)호가 획득한 이미지에는 다양한 에너지와 그에 따른 입자 궤적을 가진 입자 방출 사건들이 있었습니다. 각각 2019년 1월 6일과 1월 19일, 2월 11일 발생한 가장 컸던 세번의 입자 방출 사건을 연구합니다. 

 

궤도결정 모델링을 위한 초기 조건을 제공하기 위해 OpNav(optical navigation) 기법을 이용해 여러 이미지 내에서 각각의 입자를 추적합니다. 이를 통해 입자 방출 사건의위치와 시간을 추정했고 입자의 초기 속도벡터를 결정했습니다. 또, 입자의 알베도와 밀도를 사용해 방출된 입자의 크기와 최소 에너지를 추정했습니다. 
    

  • 연구 결과

 

영상 데이터의 가장 초기 활동 증거는 2018년 12월 10일 TAGCAMS(the Touch and Go Camera System) 시스템으로 촬영된 궤도상의 직경 8±3 cm입자였습니다. 베누 궤도에 들어선 이후 처음으로 확인된 입자 방출 사건은 1월 6일이었습니다. 관측된 입자는 초당 3m까지 이동했으며 최대 10cm의 크기까지 측정됐습니다. 이 입자들은 200개 이상의 별과 같은 점광원 물체처럼 보였는데요. 처음에 이 입자들은 소행성 뒤의 별처럼 보였습니다. 이는 베누의 남반구에서 발생했습니다.

 

참고로 점광원이란 크기와 형태가 없이 하나의 점으로 보이는 광원을 말합니다. 7분 16초 후 찍은 이미지에서는 이전 이미지와 공통되는, 베누로부터 멀어지는 입자들이 보였습니다. 이는 단립자(discrete particles)들의 움직임을 암시합니다. 참고로 단립자란 입자가 침강 또는 상승할 때 그 크기나 형상, 중량 등의 물성이 변화하지 않는 걸 말합니다.

베누 표면의 바위들. 출처: NASA/Goddard/University of Arizona
베누 표면의 52m크기의 바위. 출처: NASA/Goddard/University of Arizona

이후 1월 19일과 2월 11일 세 개의 가장 큰 방출 사건이 관찰됐고 이는 적도 부근에서 발생했습니다. 직경이 1~10cm인 입자는 0.05~3m/s의 속도로 베누에서 방출됐습니다. 계산된 에너지 범위는 1월 6일 사건의 경우 270mJ에서부터 2월11일 사건의 경우 8mJ까지 다양했습니다. 세 사건은 베누의 나머지 표면과 뚜렷한 지질학적 구분을 보이지 않는, 넓게 분리된 장소에서 발생했습니다.

 

하지만 이러한 사건들은 모두 늦은 오후, 즉 현지 시간으로 약 15시에서 18시 사이에 발생했습니다. 이 밖에도 지속적으로 방출된 입자를 살폈고 그 중에서 일부는 몇 일동안 일정한 궤도를 고수하는 것이 관찰됐습니다. 이렇게 중력으로 묶인 입자의 특성은 입자 질량의 단면적을 비율을 결정할 수 있게 해줍니다. 광도 위상함수와 결합하면 이 정보는 입자의 직경, 밀도, 알베도의 매개변수로 만들 수 있습니다. 

 

  • 논의

 

연구진은 입자 방출을 유발할 수 있는 다양한 매커니즘을 조사했습니다. 이 가설에는 회전 중단, 정전기에 의한 상승, 얼음의 승화, 탈수에 의한 엽상화(phyllosilicate), 유성체 충돌, 열응력에 의한 파쇄, 이차적 충격 등이 포함돼 있습니다. 그 중 유성 충돌, 열응력에 의한 파쇄, 수증기 방출 세가지로 후보군을 추렸습니다. 

 

운석 충돌은 베누의 주변에서 흔히 볼 수 있으며 이 작은 파편들이 베누에 충격을 가해 그 모멘텀(momentum)으로 느슨해져 있는 입자를 흔들고 있을 가능성이 있습니다. 


베누의 자전주기는 4.3시간입니다. 그런데 그 시간동안 베누의 표면온도는 급격히 달라집니다. 밤엔 극도로 추운 반면 오후에는 따뜻합니다. 연구진이 관측한 대규모의 입자 방출 사건도 모두 늦은 오후에 발생했습니다. 이에 연구진은 열응력에 의한 파쇄 가능성도 충분하다고 보았습니다. 이러한 온도변화 결과 바위에 금이 가서 부서지고 결국 입자들이 표면에서 분출될 수 있기 때문이죠. 

 

수증기의 방출 또한 소행성의 활동을 설명할 수 있었는데요. 베누의 점토에는 물이 갇혀있고 열이 가해지면 수증기로 방출되며 압력이 만들어질 수 있습니다. 이 압력으로 인해 바위에 구멍과 균열이 생기고 표면이 흔들리며 입자가 방출될 수 있습니다.  

 

NASA의 제트추진연구소(Jet Propulsion Laboratory)의 수석연구원이자 이 연구의 저자인 Steve Chesley는 "이 가설 중 하나 이상의 가능성 있는 메커니즘이 작동하고 있을 수 있다"며 "예를 들어 열 응력에 의한 파쇄는 표면 물질을 작게 만드는 역할을 하는 걸 수 있고 운석 충돌로 인해 우주로 입자가 방출되는게 더 쉬워질 수 있다"고 전했습니다. 

 

만약 열 응력에 의한 파쇄 혹은 운석 충돌이 입자를 방출시킨 원인이라면 이러한 현상은 모든 작은 소행성에서 발생할 수 있는 메커니즘입니다. 그러나 만약 수증기의 방출이 주된 원인이라면 이는 베누와 같이 물이 함유된 광물을 가진 소행성에 특정될 겁니다.

오시리스-렉스호와 소행성 베누. 출처: NASA/Goddard/University of Arizona
오시리스-렉스호와 소행성 베누. 출처: NASA/Goddard/University of Arizona
  • 결론


대규모 방출 사건에 대해 신뢰할 수 있는 메커니즘으로는 열응력에 의한 파쇄, 탈수에 의한 엽상화(phyllosilicate)에 의한 휘발성 방출, 유성체 충돌 등이 있습니다. 사건이 늦은 오후에 발생하는 타이밍이 이러한 매커니즘과 일치합니다. 베누의 바위들은 이 곳이 지질학적으로 열응력에 의해 파쇄된다는 걸 보여줍니다. 특히 휘발성 방출에 의해 이 작용이 강화될 수 있습니다. 주로 베누의 밤에 발생하는 더 작은 사건들을 보면 재충돌 하는 입자들에 의해 발생합니다. 

 

이번 관측은 베누를 활성 소행성으로 분류합니다. 활성 소행성은 일반적으로 주된 질량 손실이 우리가 베누에서 관찰한 것보다 훨씬 더 큰 규모로 진행되기 때문에 망원경으로 관측할 수 있습니다. 이번 연구의 발견은 활성 소행성들 사이에서도 질량 손실 사건의 규모가 연속적으로 존재한단 걸 보여줍니다. 베누의 활동은 일단 샘플을 수집해 오시리스-렉스(OSIRIS-Rex)호가 지구로 돌아온다면 더 많은 것을 밝혀낼 수 있습니다. 비록 방출된 입자가 어떤 메커니즘에 의한 것인지 알지 못하더라도 우리는 소행성에 대한 우리의 이해를 높여줄 겁니다. 

 

베누 지표에서 방출된 많은 입자들은 우주선의 샘플링 매커니즘에 의해 수집될 수 있을 만큼 작아 수집이 가능합니다. 샘플 채취는 2020년 여름에 예정돼 있으며 2023년 9월 지구로 반환될 예정입니다. 

 


##참고자료##

 

Lauretta, D. S., et al. "Episodes of particle ejection from the surface of the active asteroid (101955) Bennu." Science 366.6470 (2019).

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2020 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트