(명왕성의 대기와 태양풍의 상호 작용. Artist’s concept of the interaction of the solar wind (the supersonic outflow of electrically charged particles from the Sun) with Pluto’s predominantly nitrogen atmosphere. Some of the molecules that form the atmosphere have enough energy to overcome Pluto’s weak gravity and escape into space, where they are ionized by solar ultraviolet radiation. As the solar wind encounters the obstacle formed by the ions, it is slowed and diverted (depicted in the red region), possibly forming a shock wave upstream of Pluto. The ions are “picked up” by the solar wind and carried in its flow past the dwarf planet to form an ion or plasma tail (blue region). The Solar Wind around Pluto (SWAP) instrument on the New Horizons spacecraft made the first measurements of this region of low-energy atmospheric ions shortly after closest approach on July 14. Such measurements will enable the SWAP team to determine the rate at which Pluto loses its atmosphere and, in turn, will yield insight into the evolution of the Pluto’s atmosphere and surface. Also illustrated are the orbits of Pluto’s five moons and the trajectory of the spacecraft.
Credits: NASA/APL/SwRI)
명왕성은 현재까지 알려진 천체 가운데 대기를 가지고 있는 가장 작은 천체라고 할 수 있습니다. 지름은 지구의 1/5 수준에 지나지 않고 사실 달보다도 작은 데 희박한 대기를 가지고 있죠. 이 대기는 뉴 호라이즌스 탐사의 중요한 목표이기도 합니다. 뉴 호라이즌스에는 Solar Wind around Pluto (SWAP), Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation (PEPSSI)나 앨리스(Alice) 같은 탐사 장비가 있어 이를 상세하게 관측할 수 있습니다. 그리고 그 자료 중 일부가 지구에 도착했습니다.
이에 의하면 명왕성은 당초 생각했던 것보다 훨씬 외부로 퍼져나가는 대기를 가지고 있습니다. 물론 매우 희박한 대기라는 사실은 변함없지만, 지구 - 태양의 30배가 넘는 거리에서도 태양풍과 반응하는 대기권을 가지고 있었던 것입니다. 그리고 이로 인해 명왕성이 극히 소량이기는 하지만, 태양풍에 의해 대기를 조금씩 잃고 있다는 것도 확인되었습니다.
명왕성은 태양에서 44억km에서 73억km 떨어진 궤도를 247.68년을 주기로 공전 중에 있습니다. 그런 만큼 태양풍의 세기는 지구에 비해서 비교할 수 없을 만큼 작은 편입니다. 하지만 이 희박한 태양풍의 흐름도 명왕성의 외부 대기를 조금씩 벗겨내는 힘은 가지고 있는 셈입니다.
명왕성의 대기는 지표에서 270km 이상 떨어진 장소까지 존재한다고 생각했습니다. 이번 관측에서는 역시 희박한 대기이긴 하지만 명왕성의 반지름을 넘는 1600km 지점까지 대기의 존재가 관측되었습니다. 이 관측은 앨리스를 통해서 이뤄졌는데, 태양빛이 명왕성의 대기를 통과하는 시간 동안 관측하는 방식으로 이뤄졌습니다. 즉, 일출과 일몰 때 태양 빛이 명왕성의 외부 대기를 통과하는 시간을 관측한 것이죠.
(This figure shows how the Alice instrument count rate changed over time during the sunset and sunrise observations. The count rate is largest when the line of sight to the sun is outside of the atmosphere at the start and end times. Molecular nitrogen (N2) starts absorbing sunlight in the upper reaches of Pluto’s atmosphere, decreasing as the spacecraft approaches the planet’s shadow. As the occultation progresses, atmospheric methane and hydrocarbons can also absorb the sunlight and further decrease the count rate. When the spacecraft is totally in Pluto’s shadow the count rate goes to zero. As the spacecraft emerges from Pluto’s shadow into sunrise, the process is reversed. By plotting the observed count rate in the reverse time direction, it is seen that the atmospheres on opposite sides of Pluto are nearly identical.
Credits: NASA/JHUAPL/SwRI)
(This figure shows the locations of the sunset and sunrise solar occultations observed by the Alice instrument on the New Horizons spacecraft. The sunset occultation occurred just south of the “heart” region of Pluto, from a range of 30,120 miles (48,200 km), while the sunrise occurred just north of the "whale tail", from a range of 35,650 miles (57,000 km).
Credits: NASA/JHUAPL/SwRI)
(동영상 This animation shows how the count rate observed by New Horizons’ Alice instrument decreases as Pluto’s atmosphere passes in front of the sun. The decreasing count rate is due to the ultraviolet sunlight having to pass through progressively larger amounts of the atmosphere as the spacecraft line of sight gets closer to Pluto. The observed count rates are compared with predictions based on two plausible models of Pluto’s atmosphere: a “turbulent” case, where the expected count rate is relatively large, due to small amounts of sunlight-absorbing hydrocarbons in the lower atmosphere, and a “stagnant” case, where much larger hydrocarbon abundances are predicted. The preliminary count rate data from Alice are matched by neither model, but are closer to the stagnant case.
Credits: NASA/JHUAPL/SwRI)
이번 관측에서는 명왕성의 예상보다 크게 확장된 대기를 관측하는 성과를 거뒀습니다. 그런데 앞서 이야기 했듯이 명왕성은 매우 이심률이 큰 타원 궤도를 돌고 있습니다. 즉, 태양에서 가까워질때와 멀어질 때의 차이가 매우 크다는 것이죠. 이로 인해 명왕성의 희박한 대기는 주로 태양에 가까운 위치에서만 관측이 가능하다고 생각되고 있습니다. 뉴 호라이즌스호는 정확히 그 시기에 명왕성을 탐사한 셈이죠.
앞으로 더 많은 데이터가 분석되어야 하겠지만, 명왕성처럼 작은 천체가 이런 큰 대기를 가지고 있다는 것도 매우 흥미로운 연구 결과입니다.
참고
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