(These are far-ultraviolet Hubble images of Mars near its farthest point from the sun, called aphelion, on December 31, 2017 (top), and near its closest approach to the sun, called perihelion, on December 19, 2016 (bottom). The atmosphere is clearly brighter and more extended when Mars is close to the sun. Reflected sunlight from Mars at these wavelengths shows scattering by atmospheric molecules and haze, while the polar ice caps and some surface features are also visible. Hubble and MAVEN showed that Martian atmospheric conditions change very quickly. When Mars is close to the sun, water molecules rise very rapidly through the atmosphere, breaking apart and releasing atoms at high altitudes. Credit: NASA, ESA, STScI, John T. Clarke (Boston University); Processing: Joseph DePasquale (STScI))
나사의 화성 대기 탐사선인 메이븐 MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution)과 허블 우주 망원경이 협업해서 화성의 물이 얼마나 빠른 속도로 우주로 탈출하는지에 대한 단서를 얻었습니다.
니사의 메이븐 탐사선은 2014년부터 지금까지 화성 주변을 공전하면서 화성 대기의 정보를 수집해 왔습니다. 이 정보를 바탕으로 과학자들은 화성이 한때 지구처럼 두꺼운 대기와 바다를 지닌 행성이었다가 지금처럼 대기가 희박하고 춥고 건조한 행성이 되었는지 알게 됐습니다.
매사추세츠 대학의 존 클락 John Clarke of the Center for Space Physics at Boston University in Massachusetts이 이끄는 연구팀은 메이븐과 허블 우주 망원경 데이터를 분석해 현재 화성이 물을 잃는 속도를 측정했습니다.
한 때 화성에 있던 막대한 양의 물이 갈 곳은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 땅속이고 다른 하나는 우주입니다. 앞서 소개한 것처럼 화성의 지하, 그리고 내부에는 상당한 양의 물이 존재하는 것처럼 보입니다.
지표에 남은 물은 조금씩 증발한 후 대기권 상층에서 태양 에너지에 의해 수소와 산소로 분해됩니다. 그러면 가벼운 수소가 우주로 쉽게 탈출하기 때문에 화성은 점점 더 건조해져 지금처럼 된 것으로 보입니다.
그런데 이때 무거운 동위원소인 중수소는 무게가 수소보다 두 배 무거워 쉽게 빠져나가지 못합니다. 따라서 자연계에 존재하는 중수소의 비율과 화성 대기에 있는 중수소의 비율을 조사하면 얼마나 많은 수소를 잃고 있는지 알 수 있고 이에 따라 물을 잃는 비율도 조사할 수 있습니다.
(Mars was once a very wet planet. Scientists know that over the last 3 billion years, some of the water went underground, but what happened to the rest? Credit: NASA's Goddard Space Flight Center; Lead Producer: Paul Morris; Mars Animations Producer: Dan Gallagher)
이 관측은 주로 메이븐의 임무이긴 하지만, 수소 배출이 적게 일어나는 겨울이나 메이븐 탐사 이전 자료는 허블 우주 망원경에 의한 간접 측정을 통해 보충할 수 있습니다. 화성은 지구보다 더 긴 타원궤도를 돌고 있어 대기 변동성이 훨씬 크며 이에 따라 물을 잃는 속도도 달라집니다. 이번 연구를 통해 과학자들은 좀 더 정확하게 그 속도를 알 수 있게 됐습니다.
과학자들은 화성이 지금의 모습이 되었는지 알기 위해 많은 연구를 진행했고 많은 정보를 얻었습니다. 하지만 아직도 답을 얻지 못한 부분이 많은 만큼 연구는 계속될 것입니다.
참고
https://phys.org/news/2024-09-nasa-hubble-maven-mystery-mars.html
John T. Clarke et al, Martian atmospheric hydrogen and deuterium: Seasonal changes and paradigm for escape to space, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adm7499
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