얼음 뒤덮힌 유로파, 솟구친 물기둥의 정체
얼음 뒤덮힌 유로파, 솟구친 물기둥의 정체
  • 함예솔
  • 승인 2020.12.23 17:45
  • 조회수 1248
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바다 품고 얼음으로 뒤덮힌 유로파

 

과학자들은 유로파의 얼음으로 뒤덮인 지표 아래 바다가 있다는 건 거의 확실한데요. 유로파 표면에 있는 이 얼음들이 얼마나 두꺼울까요? 

 

NASA자료에 따르면 이론과 관측에 따르면 유로파 얼음 껍질의 두께는 약 15~25km정도로 깊이가 약 60~150km에 달하는 거대한 해양 위에 높여있다고 하는데요. 이러한 가설에 대한 근거는 유로파 표면에 있는 구덩이, 돔, 얼룩 등의 관측을 통해 나온 것이라고 합니다. 이러한 특징들의 크기와 간격은 얼음 껍질 안에서 뒤틀리면서 일어나기 때문에 이론적으로 두께가 15km이상이 되어야 대류에 의한 뒤틀림이 일어날 수 있다고 합니다. 

 

유로파의 돔 높이를 측정한 결과 최대 1km정도인데, 돔이 이 정도로 높으려면 얼음 껍질이 상당히 두꺼워야 한다는 걸 알 수 있습니다. 하지만 일부 과학자들은 얼음층이 몇 킬로미터 두께로 더 얇을 수 있다고 주장하기도 했습니다.

유로파 얼음 껍질, 두꺼울까 얇을까? 출처: NASA / JPL / Michael Carroll
유로파 얼음층, 두꺼울까 얇을까? 출처: NASA / JPL / Michael Carroll

하지만 과학자들은 목성탐사선 갈릴레오호가 차가운 유로파를 지나갈 때 무선신호를 이용해 추적하며 유로파 내부에 물질이 어떻게 배열됐는지 파악한 결과, 유로파의 바깥층은 80~170km 두께의 물이나 얼음으로 구성된 것으로 보입니다. 나머지 유로파 내부는 아마도 암석으로 이뤄진 맨틀과 금속으로 이뤄진 핵으로 이뤄져 있을 것이라고 합니다.

얼음으로 뒤덮인 유로파 지표에서 수증기 기둥이 솟구쳐오르고 있다. 출처: NASA/ESA/K. Retherford/SWRI
얼음으로 뒤덮인 유로파 지표에서 수증기 기둥이 솟구치고 있다. 출처: NASA/ESA/K. Retherford/SWRI

'Nature Astronomy (2019)'에 게재된 연구에 따르면 NASA 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)에서 이끄는 국제 연구팀이 유로파 지표에서 처음으로 수증기를 검출했는데요. 유로파에는 생명체에 필요한 필수 화학원소인 탄소, 수소, 산소, 질소, 인 황 등이 발견되는 천체입니다. 이에 우주생물학자들에게 유로파는 탐구 대상입니다. 유로파에는 수증기나 물이 뿜어져 나오는 곳이 존재합니다. 우주생물학자들은 수 마일에 달하는 이 기둥은 무엇이 폭발해 나온 것인지 오랫동안 의문을 가지고 있었습니다. 

 

얼음층에 박힌 물주머니

 

그런데 'Geophysical Research Letters'에 게재된 새로운 연구에 따르면 유로파에서 물과 수증기로 이뤄진 기둥의 분출은 유로파의 심해에서 비롯된 것이 아니라 얼음층 자체에 내장 돼 있는 물 주머니에서 분출됐을 가능성이 있다고 합니다. 이번 연구는 스탠퍼드대학교, 애리조나대학교, 텍사스대학교, NASA 제트추진연구소의 연구진들이 공동으로 조사한 결과입니다. 

목성의 위성 유로파. 얼음껍질 안에 들어있는 염분이 많은 물에서 나오는 물기둥의 모습을 보여준다. 출처: Justice Blaine Wainwright.
목성의 위성 유로파. 얼음껍질 안에 들어있는 염분이 많은 물에서 나오는 물기둥의 모습을 보여준다. 출처: Justice Blaine Wainwright.

NASA의 목성탐사선 갈릴레오호가 수집한 이미지를 이용해 연구진들은 동결과 가압의 조합이 어떻게 저온 화산(cryovolcanic)의 폭발이나 물기둥 폭발로 이어지는지 설명할 수 있는 모델을 개발했습니다. 이러한 결과는 태양계에 있는 다른 얼음으로 뒤덮인 천체에서 발생하는 분출에 대해서도 설명할 수 있을 것으로 보입니다. 

 

생명체 품고 있을까?!

 

과학자들은 유로파의 얼음층 아래 숨겨진 광대한 바다에 생명체를 존재하게 할 필수 요소들이 포함돼 있을 것이라고 추측합니다. 하지만 탐사를 위해 이 곳에 잠수정을 보내기 전까진 확실히 알 순 없겠죠. 과학자들이 지표 위로 솟구쳐 오르는 수증기 기둥이나 물 기둥에 집착하는 것도 이러한 이유 때문인데요. 만약 이 폭발이 아래 숨겨진 바다로부터 오는 거라면, 이 원소들은 NASA에서 곧 수행하게 될 유로파 클리퍼(Europa Clipper) 같은 미션을 통해 쉽게 감지될 수 있을 겁니다.

유로파 클리퍼 미션 곧 시작된다. 출처: NASA/JPL-Caltech
유로파 클리퍼 미션 머지않아 곧 시작된다. 출처: NASA/JPL-Caltech

하지만 만약 수증기나 물이 뿜여져 나와 만들어진 이 기둥이 유로파의 얼음층에서 나온다면 생명체가 거주하기 힘든 곳일지도 모릅니다. 왜냐하면 생명체에 힘을 공급하기 위한 화학적 에너지를 유지하는 게 더 어려워지기 때문이라고 합니다. 그래서 이러한 경우엔 우주에서 생명체를 탐지할 수 있는 가능성을 더 낮춘다고 하는데요. 

 

이번 연구의 주요 저자이자 스탠포드대학교 지구환경과학과 박사후 연구원인 Gregor Steinbrügge는 "이러한 물 기둥이 어디서 나오는지 이해하는 건 미래의 유로파 탐험가들이 유로파의 바다를 탐사하지 않고 우주에서도 생명체를 실제로 탐지할 수 있는 기회를 가질 수 있는지 파악하는데 매우 중요하다"고 말합니다. 

 

연구원들은 수 천만년 전 다른 천체와의 충돌로 만들어진 유로파의 약 28km 너비의 분화구인 Manannán를 집중적으로 조사했는데요. 이 충돌로 엄청난 양의 열이 발생했을 것이라고 추론하면서 연구진은 얼음 껍질 안에 물주머니가 녹고 그 후에 얼게 되면서 물이 어떻게 분출할 수 있었는지 모델링을 진행했습니다.

갈릴레오호가 촬영한 유로파. 출처: NASA / JPL-Caltech / SETI Institute
갈릴레오호가 촬영한 유로파. 출처: NASA / JPL-Caltech / SETI Institute

모델링 결과, 유로파의 물이 충돌 후기 단계에서 얼음으로 변하면서 달 표면에 염도가 높아진 물주머니가 만들어질 수 있다는 걸 보여줍니다. 게다가 이 염분이 높은 물 주머니들은 인접하고 있는 염분이 덜 섞인 얼음을 녹이며 유로파의 얼음층을 통해 옆으로 이동할 수 있으며 그 과정에서 염분이 더 높아진다고 합니다. Steinbrügge는 "우리는 물주머니가 횡방향으로 움직일 수 있는 방법을 고안해냈고 이는 매우 중요하다"며 "이는 중력에 의해 당겨지는 아래 방향으로만 이동하 것처럼 차가운 곳에서부터 따뜻한 방향으로 열경사도(thermal gradient)를 따라 이동할 수 있다"고 설명합니다. 

 

염분을 가득 담고 이동

 

모델링을 통해 예측하자면, 염분이 높은 물 주머니가 Manannán 중앙에 도달했을 때 막혔다가 얼기 시작해 압력을 가한 결과 1.6km 이상으로 추정되는 물기둥이 발생하게 만들었다고 예측합니다. 이러한 물기둥은 뚜렷한 흔적을 남겼는데요. 거미 모양의 특징이 유로파 표면에 남겼습니다. 

유로파 지표에 얼음으로 뒤덮인 표면들. 출처: NASA / JPL / University of Arizona
유로파 지표에 얼음으로 뒤덮인 표면들. 출처: NASA / JPL / University of Arizona

이번 연구의 공동 저자이자 애리조나대학교의 대학원보조연구원인 Joana Voigt는 "염분이 많은 물 주머니에 의해 만들어진 물기둥이 유로파의 바다에 대한 직접적인 통찰력을 제공하진 못하지만 우리의 연구 결과는 유로파의 얼음 표면 자체가 매우 역동적이란 걸 암시한다"고 전했습니다. 

 

연구자들은 Manannán 분화구에서 형성되는 비교적 작은 크기의 물기둥은 충돌 분화구가 다른 거대한 물기둥의 기원에 대해서 설명할 수 없다는 걸 보여준다고 말합니다. 참고로 거대한 물기둥은 허블망원경이나 갈릴레오호의 데이터를 기반으로 가설이 세워진 것들인데요. 하지만 Manannán 분화구를 위해 모델링한 과정은 충돌 사건이 없는 얼음으로 뒤덮인 다른 천체에서도 발생할 수 있다고 합니다. Voigt는 "염분이 높은 물 주머니의 이동은 유로파 분화구에만 적용되는 것은 아니다”며 “대신 이 매커니즘은 열경사도가 존재하는 얼음으로 뒤덮인 다른 천체에 대한 설명을 제공할 수 있을 것"이라고 밝혔습니다. 

유로파 따뜻한 지점에서 포착된 물 수증기 기둥. 출처: NASA / ESA / W. Sparks (STScI) / USGS Astrogeology Science Center
유로파 따뜻한 지점에서 포착된 물 수증기 기둥. 출처: NASA / ESA / W. Sparks (STScI) / USGS Astrogeology Science Center

이 연구는 또한 유로파의 얼린 지표면과 바다에 얼마나 많은 염분이 있는지 추정치를 제공하는데요. 이는 레이더 전파를 통해 본 얼음 표면의 투명도에 영향을 미칠 수 있습니다. 여기서 사용된 1995년부터 1997년까지 갈릴레오호 데이터로 계산한 결과 유로파의 바다는 지구 해양의 1/5 정도의 염도를 가지고 있는 것으로 파악됐습니다. 이는 유로파 클리퍼 미션의 레이더 발생기가 유로파 내부 데이터를 수집하는 능력을 향상시킬 수 있는 중요한 요인이 됩니다. 

 

이번 발견은 유로파의 물기둥 분출이 해양과 연결돼 있지 않다는 결과이기 때문에 우주생물학자들을 낙담시킬 수 있습니다. 만약 물기둥이 아래 숨겨진 해양에서 뿜어져 나오는 거라면 그 곳에 생명체가 정말 있는지 단서를 찾을 수 있었을 텐데 말이죠. 하지만 이 새로운 모델은 유로파의 복잡한 지표 특징들을 수문학적 프로세스 기반으로 이해하는 데 도움을 줍니다. 


##참고자료##

 


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