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태양계 이야기 161 - 엔셀라두스의 얼음 수증기를 만드는 힘



 이전 포스팅을 통해 한번 언급한 바가 있지만 토성의 위성 가운데서 엔셀라두스 (Enceladus) 는 몇가지 주목할 만한 특징 때문에 과학자들의 관심을 끌고 있습니다. (이전 포스트 http://jjy0501.blogspot.kr/2012/07/96.html 참조) 그 중에서 가장 관심을 끌는 부분은 지름 500 km 정도 밖에 안되는 작은 얼음 위성의 내부에 액체 상태의 물의 존재가 의심된다는 점입니다.



(카시니에 의해 촬영된 엔셀라두스 As it swooped past the south pole of Saturn's moon Enceladus on July 14, 2005, Cassini acquired high resolution views of this puzzling ice world. From afar, Enceladus exhibits a bizarre mixture of softened craters and complex, fractured terrains. Credit : NASA/JPL/Space Science Institute)


 토성과 그 위성들을 탐사하기 위해 발사된 카시니가 엔셀라두스에 접근했을 때 그 주변에서 정말 예기치 않았던 현상을 발견했는데 그것은 수증기와 얼음의 간헐천 처럼 뿜어져 나오는 것이었습니다.




(엔셀라두스의 남극, tiger stripes 에서 나오고 있는 수증기와 얼음 입자 Dramatic plumes, both large and small, spray water ice out from many locations along the famed "tiger stripes" near the south pole of Saturn's moon Enceladus. Credit : NASA/JPL/Space Science Institute)



 엔셀라두스의 특이한 외형과 간헐천은 사실 내부의 액체 상태의 물 (즉 바다) 가 있다고 생각하면 설명이 가능합니다. 얼음 + 암석으로 이뤄진 엔셀라두스 내부에 어떤 에너지가 가해지면 얼음 지각의 일부가 녹아서 일종의 물로 이뤄진 맨틀을 만들고 이것이 지구에서 보는 맨틀처럼 화산으로 분출할 수 있습니다. 다만 이 경우 분출하는 것은 용암이 아니라 액체 상태의 물인데 외부 기온은 극저온의 상태이므로 곧 얼음 입자로 바뀌게 됩니다. 이런 현상은 일종의 Cryovolcanism  라고 볼 수 있습니다. 그리고 이 얼음입자가 눈처럼 내려 엔셀라두스의 순백의 표면을 만들게 됩니다. 얼음 지각의 균열은 독특한 주름을 만들게 됩니다.



(엔셀라두스 내부에서 얼음과 수증기의 간헐천이 나오는 메카니즘에 대한 설명 중 하나. 높은 압력의 액체 상태의 물이 뿜어져 나온다고 생각하면 이해가 가능 One possible scheme for Enceladus's cryovolcanism.
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Enceladus_Cold_Geyser_Model.svg  )


 이 작은 얼음 위성에 내부에 액체 상태의 물이 외부로 분출할 만큼 존재하게 만드는 에너지원에 대해서는 이전부터 토성의 중력의 힘이 유력한 용의자로 지목되었습니다. 여기에 더해서 인근의 다른 위성인 디오네의 영향력도 작용하는 것으로 생각되기도 했습니다. (또 다른 설명은 엔셀라두스 내부의 방사성 동위원소입니다)



 나사 카시니팀의 과학자이자 코넬 대학의 연구자인 맷 헤드맨 (Matt Hedman,  Cassini team scientist based at Cornell University in Ithaca, N.Y ) 과 그의 동료들은 2005 년 카시니가 엔셀라두스에서 얼음과 수증기의 간헐천을 처음 발견한 이후 어떤 패턴이 존재하는지에 대해서 검토했습니다.


 이전 포스트에서 언급했듯이 엔셀라두스는 토성 중심에서 평균 237948 km 정도 되는 거리를 거의 원에 가까운 궤도로 (이심율 0.0047) 돌고 있는 위성입니다. 따라서 조석력의 차이에 의한 내부 에너지는 크지 않을 것 같지만 토성에서 워낙 가까운 거리를 돌고 있기 때문에 그 영향력은 사실 적지 않은 것 같습니다.


 헤드맨과 그의 동료들이 2005 년에서 2012 년사이 카시니가 찍은 200 장 이상의 사진을 면밀히 분석한 바에 따르면 엔셀라두스에서 나오는 간헐천의 양은 토성에서 가까울 때 가장 적고, 반대로 가장 멀어지면 그 3-4 배 정도로 증가하는 것으로 나타났습니다.



(이번 연구에서는 카시니의 사진을 분석. 엔셀라두스의 간헐천의 분출량을 측정했음. Squeezing and Releasing Enceladus: This set of images from NASA's Cassini mission shows how the gravitational pull of Saturn affects the amount of spray coming from jets at the active moon Enceladus. Enceladus has the most spray when it is farthest away from Saturn in its orbit (inset image on the left) and the least spray when it is closest to Saturn (inset image on the right). (Credit: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Cornell/SSI) )


 언뜻 생각하기에는 토성에 가까워 지면 중력으로 쥐어짜는 힘이 강해져 더 많은 간헐천이 나올 듯 하지만 실제로 간헐천의 분출량을 조절하는 것은 간헐천의 입구의 크기라고 과학자들은 믿고 있습니다. 따라서 가장 틈이 크게 벌어지는 위치에서 (즉 토성에서 가장 멀어지는 원일점에서) 가장 많은 간헐천이 분출되게 됩니다.


 엔셀라두스는 토성에서 멀어지고 가까워짐에 따라 수축과 이완을 반복하게 되며 이 과정에서 내부의 열에너지가 발생 액체 상태의 물이 존재하는 것으로 보입니다. 그리고 이전에 설명한 대로 내부의 물은 순수한 물의 상태가 아니라 여러가지 이물질이 섞여 있는 것으로 보입니다.


 일부에서는 엔셀라두스 내부에 바다가 있고 여기에서 생명체 발생이 가능할지도 모른다고 생각하고 있습니다. 진실이 어떤 것인지는 모르지만 극저온의 얼음 세계에서도 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 메카니즘을 시사한다는 측면에서 엔셀라두스는 아름다운 외형 만큼이나 흥미로운 연구 주제 입니다. 이번 연구는 네이처에 실렸습니다.


 참고


http://en.wikipedia.org/wiki/Enceladus_%28moon%29

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130731155339.htm

Journal Reference:

  1. M. M. Hedman, C. M. Gosmeyer, P. D. Nicholson, C. Sotin, R. H. Brown, R. N. Clark, K. H. Baines, B. J. Buratti & M. R. Showalter. An observed correlation between plume activity and tidal stresses on EnceladusNature, 2013; DOI: 10.1038/nature12371


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