태양계 이야기 880 - 화성의 두 위성은 사실 하나의 기원을 지닌 형제다?

(Artist's impression of the collision between a Martian primordial moon and an asteroid, which could have led to the formation of Phobos and Deimos. Credit: Mark Garlick / markgarlick.com)

화성의 두 위성인 포보스와 데이모스는 다른 행성의 위성과는 상당히 다른 형태를 지니고 있습니다. 포보스의 지름은 22km에 불과하고 데이모스의 지름은 그보다 더 작은 12km에 불과합니다. 감자를 닮은 불규칙한 외형까지 생각하면 위성보다는 소행성에 더 가깝습니다. 따라서 많은 사람들이 이 두 위성이 화성과 함께 생성된 위성이 아니라 화성 주변을 지나던 소행성이 우연히 포획된 것으로 생각합니다.

취리히 연방공과대학의 아미르호세인 바게리 (Amirhossein Bagheri, a doctoral student at the Institute of Geophysics at ETH Zurich)이 이끄는 연구팀은 화성의 위성에 얽힌 흥미로운 가설을 주장했습니다. 포획설의 가장 큰 문제점은 이 두 위성이 화성의 적도와 나란히 공전하고 있다는 사실입니다.

우연히 포획된 위성은 토성이나 목성처럼 큰 중력을 지닌 행성 주변에서 볼 수 있는데 대부분 위성의 공전 각도가 서로 다르다는 특징이 있습니다. 우연히 두 소행성이 같은 각도로 궤도에 진입할 가능성은 낮기 때문입니다. 공전면의 각도가 같다는 것은 동시에 생겼음을 시사하는 결과이지만, 포보스와 데이모스는 화성과 동시에 생성되었다고는 믿기 힘든 위성들입니다.

연구팀은 사실 하나의 위성이 소행성 충돌에 의해 쪼개진 후 두 개만 남게 되었다는 가설을 주장했습니다. 그 근거로 공전 각도가 동일하다는 것 이외에 암석 위성인데도 매우 밀도가 낮다는 점을 지적했습니다. 포보스와 데이모스의 밀도는 2g/㎡ 이하로 얼음 천체와 비슷한 수준입니다. 이는 내부에 빈공간이 많은 다공성 구조라는 점을 시사합니다.

연구팀의 모델에 의하면 포보스와 데이모스는 10-27억년 전 충돌을 통해서 동시에 생성되었습니다. 다만 이 가설을 검증하기 위해서는 추가 증거가 필요합니다. 연구팀은 2025년 포보스에 도착해 근접 관측한 후 샘플을 채취해 지구로 귀환할 예정인 일본 JAXA의 Martian Moons eXploration (MMX)에 기대를 걸고 있습니다.

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MMX의 탐사가 성공한다면 우리는 미스터리한 화성의 위성의 기원과 현재에 대해서 더 자세히 알 수 있을 것입니다.

참고

https://phys.org/news/2021-02-martian-moons-common-ancestor.html

Amirhossein Bagheri et al. Dynamical evidence for Phobos and Deimos as remnants of a disrupted common progenitor, Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-021-01306-2

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