태양계 이야기 216 - 가장 선명한 토성의 오로라를 포착하다

 

 토성은 목성과 함께 태양계에서 가장 크고 선명한 오로라 (Aurora) 를 볼 수 있는 행성입니다. 나사의 카시니 우주선과 허블 우주 망원경은 이 오로라를 면밀하게 관찰 중에 있습니다. 허블 우주 망원경은 지구 주위를 공전하며 지금 현재 시점에서 잘 보이는 토성의 북극 오로라를 자외선 영역에서 관측하고 있으며 카시니 우주선은 토성 주변을 공전하며 가시광과 적외선 영역에서 오로라를 관측하고 있습니다. 물론 카시니는 지구에서 관측이 어려운 토성의 나머지 부분에 대해서도 관측이 가능합니다.  

 허블 이미지를 연구하는 영국 레스터 대학 (University of Leicester) 의 조나단 니콜스 (Jonathan Nichols) 에 의하면 토성의 오로라는 매우 변덕이 심해서 어떤 경우에는 아무것도 볼 수 없을 때가 있고 어떤 때는 화려한 불꽃 놀이를 볼 수 있을 때가 있다고 합니다. 2013 년 봄에 천문학자들은 토성의 오로라를 아주 분명하게 관측할 수 있었다고 합니다.  

 허블 우주 망원경이 2013 년 4월과 5월에 토성의 오로라에 포커스를 맞출 무렵 카시니 우주선은 토성 지름의 6 배 안쪽까지 근접해서 아주 선명한 오로라 전체의 영상을 얻을 수 있었다고 합니다. 과학자들은 적외선 이미지 분광기 ultraviolet imaging spectrometer (UVIS) 를 사용해서 빠르게 춤추는 오로라의 이미지 속에서 다양한 물질의 존재를 측정할 수 있었습니다. 사실 토성의 오로라는 크고 아름다운 것 뿐 만아니라 토성의 대기 구조에 대해서 매우 중요한 정보를 제공합니다.  

(허블 우주 망원경과 카시니 우주선 이 본 토성의 오로라  Ultraviolet and infrared images from NASA's Cassini spacecraft and Hubble Space Telescope show active and quiet auroras at Saturn's north and south poles. Image credit: NASA/JPL-Caltech/University of Colorado/Central Arizona College and NASA/ESA/University of Leicester and NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Lancaster University)

(카시니가 측면에서 바라본 토성의 오로라 While the curtain-like auroras we see at Earth are green at the bottom and red at the top, NASA's Cassini spacecraft has shown us similar curtain-like auroras at Saturn that are red at the bottom and purple at the top. Image credit: NASA/JPL-Caltech/SSI) 

(참고로 보는 토성의 자기권. 지구와 마찬가지로 태양에서 날아온 플라즈마 입자들은 자기장을 따라 극지방에서 주로 모이기 때문에 극지방에서 오로라가 발생함   NASA/JPL-Caltech) 

(오로라 동영상   Credit : NASA/JPL)  

 오로라는 태양풍에서 부터 비롯된 대전 입자 (플라즈마) 가 지구 대기 분자와 충돌해 그 안의 전자를 들뜬 상태 (Excited state : 양자 역학적 상태 중 가장 에너지가 안정된 바닥 상태 보다 에너지가 높은 상태. 이 상태에서 특정한 파장의 전자기파를 방출하고 다시 바닥 상태로 돌아가게 됨) 로 만들면서 발생합니다.  

 그런데 지구의 오로라는 들뜬 상태  의 질소와 산소에 의해서 발생하는 반면 토성의 오로라는 주로 들뜬 수소 원자에 의해서 발생하게 됩니다. 따라서 토성의 오로라는 지구보다 엄청나게 큰 것 이외에도 그 생김새나 색깔이 지구와는 다소 다를 수 밖에 없습니다. 이 파장과 오로라의 패턴을 분석하므로써 과학자들은 토성의 대기 밀도, 분포 및 구조에 대한 정보를 캐낼 수 있습니다.  

 맨 위의 사진은 적외선과 자외선 이미지를 합친 것으로 사실 가시광 영역 사진이 아니기 때문에 가상 컬러 처리를 한 것 입니다. 실제 토성의 오로라는 그 아래 사진 처럼 붉은 색으로 보이게 되는데 (물론 수소 때문) 커튼 모양의 오로라가 아래는 붉은 색, 가장 위의 부분은 자주색으로 보이게 됩니다. 물론 토성의 표면에서 오로라를 보기는 어렵지만 아무튼 토성의 오로라는 높이가 1000 km 이상으로 지구의 오로라 보다 훨씬 거대한 펄럭이는 빛의 커튼을 형성하게 됩니다.

 비록 현재 우리가 그것을 직접 가서 볼 수는 없지만 만약 직접 볼 수만 있다면 거대한 고리와 함께 토성의 거대한 오로라는 태양계에서 가장 큰 볼거리 가운데 하나일 것 같네요. 

 참고

http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere_of_Saturn 

http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2014-044

http://phys.org/news/2014-02-hubble-cassini-degree-view-saturn.html