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2015년 3월 13일 금요일

태양계 이야기 338 - 엔셀라두스에 열수 활동이?



(엔셀라두스의 지각 구조. This cutaway view of Saturn's moon Enceladus is an artist's rendering that depicts possible hydrothermal activity that may be taking place on and under the seafloor of the moon's subsurface ocean, based on recently published results from NASA's Cassini mission.Image Credit: NASA/JPL)

 이전 연구들을 통해서 토성과 목성의 위성들 가운데 일부는 내부에 액체 상태의 물을 가지고 있을 것이라는 사실이 알려져 있습니다. 과학자들은 구체적인 물의 구체적인 양과 더불어 그 성질에 대해서 매우 큰 관심을 가지고 있습니다. 어쩌면 우주 저편에 독립적으로 발생한 외계 생명과 연관이 있을 수도 있기 때문입니다. 만약 태양계에서 생명이 여러 장소에서 발생할 수 있다면 우리 우주 전체로 보면 생명 현상은 대단히 흔한 것일 수 도 있습니다.
 최근 나사의 카시니 우주선의 관측 데이터를 분석한 과학자들은 생명 활동의 직접적인 증거는 발견하지 못했지만, 어쩌면 지구의 열수 분출공과 비슷한 환경이 엔셀라두스에서도 있을 수 있다는 간접적인 증거를 발견했습니다. 지구의 열수 분출공은 독립적인 생태계를 이루는 지역으로 여기서 나오는 화학 에너지는 많은 생명들을 먹여살립니다.
 콜로라도 대학의 쉬썅원 박사(Sean Hsu, a postdoctoral researcher at the University of Colorado at Boulder)가 이끄는 국제 연구팀은 저널 네이처에 발표한 논문에서 4년간의 카시니 관측 데이터와 컴퓨터 시뮬레이션, 그리고 실제 실험 결과를 바탕으로 카시니가 관측한 엔셀라두스의 간헐천에 있는 작은 암석 입자가 열수 활동에 의해서 형성된 것이라는 결론을 내렸습니다.

(This illustration depicts potential origins of methane found in the plume of gas and ice particles that sprays from Enceladus, based on research by scientists working with the Cassini Ion and Neutral Mass Spectrometer.Image Credit: Southwest Research Institute

 카시니의 cosmic dust analyzer (CDA) 는 엔셀라두스의 간헐천에서 규소(실리콘)이 풍부한 작은 입자들을 발견했습니다. 과학자들은 이 입자가 어떻게 형성될 수 있는지 다각도에서 연구했습니다. 이런 나노실리카 입자(nanosilica grains)가 형성될 수 있는 여러 가지 대안적인 가설들을 모두 검증했지만, 연구팀이 내린 결론은 사실 하나의 가능성 밖에는 없다는 것이었습니다.

 연구팀이 내놓은 가설은 엔셀라두스의 암석의 핵에서 나온 약알칼리성의 뜨거운 염수(약 섭씨 90도 정도)에 규소가 거의 포화 상태로 있다가 차가운 물에 노출되면서 온도가 떨어져 작은 입자를 형성했다는 것입니다. 이와 같은 현상은 지구에서도 확인할 수 있으며 도쿄 대학의 연구자들이 독립적으로 이 가설을 검증했습니다.

 국제 과학자팀은 입자들의 작은 크기를 토대로 이와 같은 과정이 매우 신속하게 일어났을 것으로 추정했습니다. 이 입자들의 크기는 매우 작아서 6-9 nm에 불과합니다. 따라서 엔셀라두스의 차가운 바다로 분출된 뜨거운 열수는 (마치 온천수가 차가운 바닷물로 들어가는 것 같은 상황) 작은 입자를 형성한 다음 수개월 이내로 다시 간헐천의 형태로 분출되는 것 같다고 합니다. (위의 그림 참조) 그리고 이는 열수 분출공에서 표면까지 거리가 비교적 가까운 편 (약 50km 이내)임을 시사합니다.

 한편, Geophysical Research Letters에 발표된 또 다른 논문에 의하면 열수 분출을 통해서 메탄 화합물이 분출되는 것 같다고 합니다. 이를 종합하면 복잡한 유기 분자가 탄생할 만한 에너지와 기초 성분이 엔셀라두스의 바다에 충분히 존재할 수 있는 것입니다.

 이 모든 것을 가능하게 만드는 에너지원은 바로 토성의 중력입니다. 엔셀라두스는 타원 궤도를 돌게 되는데 토성에 가까이 다가갔을 때와 멀어질 때 작용하는 중력의 힘이 달라집니다. 그리고 토성에 가까운 위치와 먼 위치의 중력도 서로 다르죠. 결국 이것은 내부에 마찰을 일으켜 열에너지를 만듭니다. 그리고 아마도 엔셀라두스의 암석 핵에 많은 균열을 만들었을 것입니다. 여기로 물이 들어가 가열되면 열수 분출공이 형성되는 것입니다.

 지구에서 열수 분출공은 많은 에너지와 화학 물질을 분출해서 태양의 존재 없이도 하나의 생태계를 만들어냅니다. 수천미터 해저의 어둡고 차가운 바다에 엄청난 수의 생명체가 모여사는 공간이 존재하는 것입니다. 만약 이번 연구 결과가 옳다면 태양계에 열수 분출공과 바다가 존재하는 천체는 지구만이 아닙니다.

 과학자들은 엔셀라두스 이외에 유로파 등 다른 위성들에도 이런 열수 분출공이 존재할 지 모른다고 생각하고 있습니다. 열수 분출공의 존재가 바로 생명체의 존재를 의미하는 것은 아니지만, 그 가능성은 상당합니다. 앞으로 토성과 목성의 거대 얼음 위성에 대한 추가적인 연구가 더 필요한 이유입니다.

 참고
Journal References:
  1. Hsiang-Wen Hsu, Frank Postberg, Yasuhito Sekine, Takazo Shibuya, Sascha Kempf, Mihály Horányi, Antal Juhász, Nicolas Altobelli, Katsuhiko Suzuki, Yuka Masaki, Tatsu Kuwatani, Shogo Tachibana, Sin-iti Sirono, Georg Moragas-Klostermeyer, Ralf Srama.Ongoing hydrothermal activities within EnceladusNature, 2015; 519 (7542): 207 DOI:10.1038/nature14262
  2. Alexis Bouquet, Olivier Mousis, J. Hunter Waite, Sylvain Picaud. Possible evidence for a methane source in Enceladus' oceanGeophysical Research Letters, 2015; DOI:10.1002/2014GL063013






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