이전 수차례 포스트들을 통해 알려드린 바와 같이 토성의 위성 타이탄은 태양계에서 가장 흥미롭고 복잡한 위성 가운데 하나입니다. 일단 크기로 볼 때도 반지름 2576 km 로 수성 보다 약간 큰 편이며, 지구의 위성인 달과 비교시는 거의 1.5 배 정도 지름이 크고 80% 나 무겁습니다. 단독으로 태양 주위를 공전했다면 행성의 지위를 얻었을 가능성도 있는 이 큰 위성은 가니메데에 이어 2번째로 태양계에서 큰 위성입니다.
그런데 사실 타이탄의 흥미로운 점은 그 크기보다도 두꺼운 대기와 단순하지 않은 지형에 있습니다. 태양계의 위성 가운데 이렇게 두꺼운 대기를 가진 위성은 타이탄 뿐입니다. 이 대기의 대부분 (98.4%) 은 질소로 이뤄졌음에도 불구하고 1.4% 정도 함량의 메탄 및 기타 탄화 수소는 지구 기후에서 물이 하는 역할을 대신해 타이탄에 다양한 기후와 지형을 만들고 있습니다.
이전 포스트에서 언급했듯이 타이탄의 기온 - 평균 93.7 K (−179.5 °C) - 에서는 지구에서는 천연가스의 형태로 존재하는 기체들이 액체가 되어 비나 눈처럼 내릴 수 있습니다. 실제 카시니와 호이겐스 착륙선은 타이탄의 지표에서 거대한 크기의 탄화 수소 호수를 발견했습니다. 가장 큰 크라켄 마레 (Kraken Mare)는 카스피해 (약 37 만 ㎢ ) 만한 면적을 가지고 있습니다.
이전 포스트 참조 : http://blog.naver.com/jjy0501/100161390100
즉 타이탄의 표면에는 암석 대신 얼음으로 된 지각이 존재하고 다시 그 위에는 탄화 수소로 된 비가 내리면서 강과 호수 지형을 형성하고 있습니다. 지구를 제외하고 현재 지표에 액체 상태의 호수나 바다가 있는 유일한 태양계내 천체가 바로 타이탄입니다. 이런 액체의 존재는 아주 독특한 지형을 만들어 낼 수 있기 때문에 행성 과학자들의 비상한 관심의 대상이라고 하겠습니다. 이 부분은 이미 이전 포스트에서 다룬 바가 있으므로 상세한 설명은 이전 포스트 내용으로 대신하고 오늘 소개할 것은 현재까지 이뤄진 카시니의 100 차례 이상 타이탄 근접 관측으로 이뤄진 타이탄의 새로운 지형도에 관한 것입니다.
사실 타이탄의 복잡한 지형을 형성한 탄화 수소는 아이러니하게 타이탄 표면의 관측을 어렵게 만들고 있습니다. 두꺼운 연무로 인해 육안으로 타이탄을 관측하면 그냥 노란색의 공처럼 보일 뿐입니다. 카시니 우주선은 이런 타이탄을 관측하기 위해 합성 개구 레이더 (Synthetic Aperture Radar SAR) 를 비롯한 여러 장비를 갖추고 있어 실제 가시광 영역에서 관측하는 것 처럼 고해상도는 아니지만 그럼에도 타이탄의 대략적인 지형을 관측할 수 있습니다.
나사와 존스 홉킨스 대학의 응용 물리학 연구소 (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory ) 의 과학자들은 2004 년 카시니 - 호이겐스 탐사선이 토성 궤도에 진입한 이후 보내온 거의 10 년간의 자료를 분석해 타이탄의 가장 상세한 지형도를 완성하는데 성공했습니다. 다만 이 지형도는 다소 한계가 있는 것이 카시니 자체가 사실은 타이탄 주위를 공전하는 위성이 아니기 때문입니다. 1997 년에 발사되어 2004 년부터 지금까지 임무를 지속중에 있는 장수 탐사선 카시니는 사실 토성 주위를 공전하는 탐사선입니다. 따라서 타이탄은 스처 지나갈 수 밖에 없기 때문에 아쉽게도 상세한 전체 지형도를 만드는데 상당한 여러움이 있는 게 사실이며 아직 지형도를 작성하지 못한 부분도 존재합니다.
(이번에 작성한 타이탄의 지형도. 가장 위의 사진은 카시니가 실제 레이더로 상세 관측한 부분을 노란색으로 나탄낸 것. 이는 타이탄 지형의 지표의 절반에 해당. 파란색의 부분은 카시니의 적외선 분광기로 측정한 부분. 그리고 아래는 이를 종합해 만든 지형도. Two Views of Titan's Topography: To create the first global, topographic map of Saturn's moon Titan, scientists analyzed data from NASA's Cassini spacecraft and a mathematical process called splining. This method effectively uses smooth curved surfaces to "join" the areas between grids of existing topography profiles obtained by Cassini's radar instrument. In the upper panel of this graphic, gold colors show where radar images have been obtained over almost half of Titan's surface, laid over a (blue toned) near-global map of infrared color from the Cassini visual and infrared mapping spectrometer instrument. Within the gold images, narrow strips of rainbow colors show where height data have been obtained. The lower panel shows the new topography map, with contour lines spaced 656 feet (200 meters) apart in elevation that were added to facilitate interpretation of the data. South polar depressions and four mountains are notably prominent; a dark region at 50–65 degrees south latitude and 0–60 degrees east longitude coincides with a major depression. The radar and VIMS data were obtained from 2004 to 2011. (Credit: NASA/JPL-Caltech/ASI/JHUAPL/Cornell/Weizmann) )
이 결과 나타난 타이탄은 아주 평탄하지는 않으며 산과 분지 지형이 있는 것으로 나타났습니다. 또 낮은 곳에는 탄화 수소가 고여 호수들을 형성한 것으로 보입니다. 한가지 재미있는 특징은 적도 부근에 고지대들이 존재하는 반면 양 극지방은 저지대라는 점입니다. 왜 이런 지형을 형성했는지는 확실치 않습니다.
그리고 이전 포스트에서 이야기 했듯이 타이탄의 지표는 적외선 관측에서 밝은 부분과 어두운 부분이 분명히 드러나며 지구의 사구 지형과 비슷해 보이는 지형도 가지고 있어 만약 탄화 수소의 장막을 걷어내고 관측한다면 꽤 다채로운 지형이 펼쳐져 있는 것으로 생각됩니다. 여기에는 사막이나 산, 얼음 화산, 분지, 호수, 강 등의 다양한 지형이 있을 것입니다. 다만 카시니의 관측 결과만으로 알 수 있는 정보는 한계가 있습니다. 더 알기 위해서는 새로운 탐사선이 필요할 것 같습니다.
(이전 2011 년에 공개된 타이탄의 적외선 영역 표면 촬영 영상 938 nm 필터를 적용한 이미지임. (클릭하면 원본) NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute )
카시니는 2017 년까지 임무를 수행할 예정입니다. 향후 토성/타이탄 탐사를 책임질 우주선은 아직 결정되지 않았습니다. 타이탄의 지표의 본 모습을 알기 위한 여러가지 제안들이 등장하고 있는데 예산 등의 문제로 아직 확정된 내용이 없어 다소 아쉬운 상태입니다. 현재 타이탄에 기구 형태의 지표 관측기구나 혹은 무인 드론 형태의 탐사선으로 지표를 상세하게 관측하자는 제안은 나온 상태입니다.
아무튼 토성의 추운 위성에 이렇게 다양한 기후와 지형을 지닌 위성이 존재한다는 것은 꽤 흥미로운 일 인듯 합니다.
참고
Journal Reference:
- Ralph D. Lorenz, Bryan W. Stiles, Oded Aharonson, Antoine Lucas, Alexander G. Hayes, Randolph L. Kirk, Howard A. Zebker, Elizabeth P. Turtle, Catherine D. Neish, Ellen R. Stofan, Jason W. Barnes. A global topographic map of Titan. Icarus, 2013; 225 (1): 367 DOI:10.1016/j.icarus.2013.04.002
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