태양계 이야기 519 - 화성의 위성은 충돌의 흔적이다?

(Chronology of events that may have created Phobos and Deimos. Mars is struck by a protoplanet one-third its size (1). A debris disk forms within a few hours. The elementary building blocks of Phobos and Deimos (grains smaller than a micrometer) condense directly from gas in the outer part of the disk (2). The debris disk soon produces a moon near Mars that moves further away and propagates its two areas of dynamical influence like ripples (3), which over the course of a few thousand years causes the accretion of more dispersed debris into two small moons, Phobos and Deimos (4). Under the effect of the tidal pull of Mars, the large moon falls back to the planet within approximately five million years (5), while smaller Phobos and Deimos take up their current positions in the ensuing billions of years (6). Credit: Antony Trinh / Royal Observatory of Belgium)

 화성의 두 위성 - 포보스와 데이모스 - 는 태양계에서 가장 독특한 것 가운데 하나입니다. 이렇게 작은 위성 두 개만 거느린 행성이 없기도 하지만, 그 구성이 매우 독특하기 때문입니다. 이 두 위성의 생성 원인에 대해서는 이전부터 화성 옆을 지나가던 소행성이 화성의 중력에 이끌려 우연이 위성이 되었다는 포획설이 가장 유력합니다. 

 하지만 다른 대안적인 가설도 존재합니다. 지구 - 달과 비슷한 대충돌에 의한 것이라는 주장이 그것으로 최근 두 독립적인 연구팀이 이를 지지하는 증거를 제시했습니다. 

 프랑스 국립 과학원(CNRS) 및 마르세이유 대학 (Aix-Marseille Universite)의 과학자들은 포보스와 데이모스의 표면에서 나온 스펙트럼을 분석해서 그 구성이 소행성대의 다른 천체들과는 다소 다르다는 내용을 Astrophysical Journal 에 발표했습니다. 이들에 의하면 포보스와 데이모스의 구성 물질은 사실 화성을 구성한 원시 미행성과 유사하다고 합니다. 이는 포획설 대신 충돌설을 지지하는 증거입니다. 

 그런데 충돌설이 옳다면 왜 이렇게 작은 위성 두 개만 존재할까요. 충돌설이 유력한 이론인 지구 - 달이나 명왕성과 그 위성들의 경우 아주 큰 크기의 위성이 존재합니다.

 벨기에, 프랑스, 일본의 국제 연구팀은 시뮬레이션을 통해서 그 이유를 규명했습니다. 이들은 화성의 1/3 정도 되는 크기의 천체가 화성이 형성된 후 1억년에서 8억년 사이 충돌하는 경우를 가정하여 연구를 진행했습니다. 

 이 연구에서는 충돌 직후 화성에 고리가 형성된 후 무거운 원소가 많은 안쪽의 고리와 가벼운 물질의 있는 외부 고리가 형성되는 것으로 나타났습니다. (위의 사진) 그런데 이후 안쪽 고리에서 형성된 큰 위성들은 결국 화성에 충돌하고 남은 위성은 외부 고리에서 형성된 포보스와 데이모스라는 주장입니다. 

(Artist's rendering of the giant collision that may have produced Phobos and Deimos along with the Borealis basin. The colliding body would have been approximately one-third the size of Mars. At the time, Mars was young, and perhaps had a thicker atmosphere and liquid water on its surface. Credit: Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS)

 이 이론이 맞다면 화성은 초창기에 엄청난 충돌을 겪은 것이 됩니다. 따라서 충돌설을 검증하기 위해서는 실제로 이런 충돌이 있었는지 여부를 알아야할 것 것입니다. 이를 증명하는 일은 쉽지 않을 것 같습니다. 현재로써는 충돌설이 더 우위에 있다고 보기는 다소 어려워보이는데, 학계의 반응 역시 궁금하네요. 

 과학은 여러 가지 대립되는 가설이 서로 경쟁하면서 발전합니다. 과연 어느 가설이 옳은지 언젠가 직접 포보스와 데이모스에 탐사선을 보내 이 비밀을 캐는 날이 오기를 기대해 봅니다. 

 참고

1. Reconciling the orbital and physical properties of the martian moons, Thomas Ronnet, Pierre Vernazza, Olivier Mousis, Bastien Brugger, Pierre Beck, Bertrand Devouard, Olivier Witasse, Fabrice Cipriani. The Astrophysical Journal, in press.

2. Accretion of Phobos and Deimos in an extended debris disc stirred by transient moons, Pascal Rosenblatt, Sébastien Charnoz, Kevin M. Dunseath, Mariko Terao-Dunseath, Antony Trinh, Ryuki Hyodo, Hidenori Genda & Stéven Toupin. Nature Geoscience, 4 July 2016, nature.com/articles/doi:10.1038/ngeo2742

http://phys.org/news/2016-07-giant-impact-mystery-mars-moons.html#jCp