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카시니 우주선은 토성의 젊음을 확인하고 있다.
(Cassini Gets Higher Look at Saturn’s Youth)
CEH

    극적으로 최종 궤도에 진입했던 카시니(Cassini) 우주선은 오래된 연대로 추정되던 토성(Saturn)에서 예상치 못했던 것들을 발견하고 있다.

카시니 우주선은 토성 궤도에서 마지막 임무를 수행하기 위한 준비를 하고 있다.(Space.com. 2016. 12. 5). JPL(Jet Propulsion Laboratory)의 과학자들은 계획했던 것처럼 우주선을 토성의 고리에 더 가깝게 다가가도록, 일련의 높은 경사 궤도로 카시니의 경로를 설정했다.(Phys.org. 2016. 11. 22).  그리고 2017년 4월에는 그랜드 피날레(Grand Finale)를 장식할 예정이며, 우주선은 토성과 D-고리 사이의 1,500마일 간격으로 22회의 위험한 하이다이빙을 수행하여, 위아래의 토성 고리들로부터 전례 없는 광경을 전송해올 것이다.(National Geographic; see orbit diagram on Space.com). 만약 카시니가 살아남는다면, JPL의 관제사들은 카시니를 2017년 9월에 토성 자체로 던져 넣어서, 역사적인 충돌로 마지막을 장식하게 될 것이다.(see NASA/JPL video clip at Space.com or National Geographic). 카시니는 주엔진이 2004년 6월 30일에 점화되어, 13년 동안 우주 비행을 수행했다. 복잡한 궤도 조정을 통해 토성의 중력장 안으로 들어가게 하여, 수년 동안 토성의 자기장과 위성들인 엔셀라두스, 타이탄 등에서 놀라운 발견들을 해왔다.

최초의 고리 접근 궤도는 2016년 11월 30일에 시작되었다. 12월 6일에 NASA는 토성의 북극 위에 있는, 사이클론 폭풍이 내재된 대기의 정지파 패턴인, 미스터리한 육각형 소용돌이의 멋진 첫 번째 사진을 배포하였다.(Astrobiology Magazine, 2016. 12. 7. 참조). 그러나 구스타브 홀스트(Gustav Holst)가 그의 유명한 오케스트라 음원 ”프래닛(The Planets)”에서 토성을 장구한 연대로 지칭했던 것과 다르게, 토성에 관한 몇 가지 밝혀진 사실들에 의하면, 토성은 꽤 젊어 보인다.


젊은 타이탄

토성의 위성 타이탄(Titan)에는 날카로운 절벽을 가진 협곡(canyons)들이 있었다.(Phys.org. 2016. 10. 31). 어느 누구도 가파른 절벽이 있고, 바닥에 탄화수소가 가득 차있는, 240m~570m 깊이, 800m의 폭을 가진 협곡들을 예상하지 못했다. 과학자들은 매우 당황하고 있었다. 왜냐하면 그러한 지형은 수십억 년의 연대를 거부하기 때문이다.

타이탄의 북쪽에서 발견된 협곡들은 그것들이 어떻게 형성됐는지 전혀 알지 못하기 때문에 더욱 놀랍다. 좁은 폭과 깊이는 가까운 바다에서 해수면이 상승하거나 하강할 때, 빠른 침식을 의미한다. 하예스(Hayes)는 이렇게 말하면서, 침식된 모든 물질들이 어디로 갔는지 등과 같은 질문을 하고 있었다.

프로젝트의 리더인 발레리오(Valerio Poggiali)는 이것을 설명해보려고 했지만, 많은 성공을 거두지 못했다.

카시니를 관리하는 JPL의 발레리오는 말했다 : ”깊은 협곡의 형성에 관여했던 힘들이... 조합이... 가능성이 있지만, 현재로서는 명확하지 않다. 명백한 것은 타이탄의 지질학적 진화에 대한 설명은, 협곡이 어떻게 거기에 있게 됐는지를 설명할 수 있어야한다는 것이다.”

Icarus 지에 게재됐던, 카시니 레이더 지도에 기초한 타이탄의 충적선상지(alluvial fans)에 관한 연구를 보라. 카트라이트(Cartwright)와 버어(Burr)는 미국 데스밸리(Death Valley)의 충적 선상지와 그것을 비교했다. 비슷한 점을 발견했지만, 중요한 차이점은 타이탄의 낮은 중력과 다른 구성성분 때문일 것으로 추정되었다. 중요한 것은, ”선상지와 같은 특징은 지구에서 지류 하천계(distributary fluvial systems)를 형성하는 것과 같은, 비충적 과정(non-alluvial processes)으로도 생겨날 수 있다.” 액체가 움직이면, 어떤 일이 일어난다. 물질이 움직였다. 그런데 그것들이 수십억 년 동안 움직였는가?


젊은 고리

Fox News(2016. 11. 28)는 카시니 과학자들의 놀란 표정을 보도하고 있었다. ”놀랍다! 토성의 고리는 원래 생각했던 것보다 훨씬 젊을 수도 있다.” 실제로 고리 연구자들은 토성의 고리가 수십억 년이 될 수 없다고 생각해왔다. 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 창조과학자)은 1857년에 토성의 고리는 고체 또는 액체 구조가 될 수 없고, 독립적으로 궤도를 돌고 있는 작은 물체들로 구성되어야한다고 생각했었다. 그것은 1970년대와 1980년대에 파이오니아(Pioneer)와 보이저(Voyager) 우주선의 최초 근접비행에 의해서 확인되었다. 고리 연구자들은 고리의 침식 효과를 고려하고, 수십억 년 동안 우주 먼지의 오염 후에도 밝은 고리의 정도를 고려한 후에, 그들은 고리가 토성보다 훨씬 젊다는 결론을 내렸다. 그들은 토성 고리의 나이를 아마도 1천만 년에서 1억 년 정도로 추정했다.(토성 나이의 1/450~1/45). 그것은 (진화론적 시간 틀로) 토성이 이미 오랜 나이를 먹은 44억 년 후에, 토성의 고리를 만들었던 과정이 무엇이었는지에 관한 문제를 제기하고 있었다. 새롭게 촬영된 고리들은 정말로 너무도 밝아서, 매우 젊은 나이를 가리키는 것처럼 보인다.


젊은 위성들

”생각했던 것보다 젊다(Younger than thought)”라는 말은 오늘날 유행어가 되고 있다. Science Daily(2016. 12. 7) 지는 이것을 설명하고 있었다 : ”토성의 불룩한 코어(bulging core)는 생각보다 젊은 위성들을 의미한다.” 뉴턴의 물리학은 조력이 시간이 흐르면서 위성을 밀어낼 것을 요구한다. 코넬대학의 천문학자 라드완(Radwan Tajeddine)은 4개의 안쪽 위성들의 실제 데이터에 기초하여, 탄성(elasticity)과 소실(dissipation)의 두 가지 요인에 대한 새로운 계산을 수행했으며, 수십억 년이 될 수 없다고 결론지었다.

라드완은 만약 토성의 위성들이 실제로 45억 년 전에 형성됐다면, 모행성인 토성과의 현재 거리는 더 커야만 한다고 설명한다. 따라서 이 새로운 연구는 위성들이 45억 년보다 훨씬 젊다고 제안하고 있었다. 그리고 위성들은 토성의 고리에서 형성됐다는 이론을 지지하고 있었다.

연구팀은 또한 토성의 위성 레아(Rhea)가 다른 위성들보다 10배 더 빠르게 이동한다는 것을 발견했다. 이것은 행성의 소실 인자(dissipation factor)가 위성과 관련하여 거리에 따라 다를 수 있다는 첫 번째 증거이다. 과학자들은 분명한 설명을 하지 못하고 있었다.


젊은 엔셀라두스

Icarus 지의 또 다른 논문은 토성의 간헐천인 엔셀라두스(Enceladus)에 대한 장구한 연대 문제에 대한 해결책을 찾지 못하고 있음을 다루고 있었다. 위성의 남쪽 극지방 균열을 통해 분출하는 간헐천에 동력을 공급할 수 있는, 얼음지각 아래에 액체 상태를 유지하기위한 충분한 열(heat)의 근원이 없다는 것이다. 카마타(Kamata)와 님모(Nimmo)는 엔셀라두스의 간헐천에 필요한 열은 카시니가 측정했던 것보다 훨씬 많이 필요하다는 것을 발견했다.

엔셀라두스의 최근 지형측량은 남극 아래에 두꺼운 전위성적 지하바다를 가리키고 있다. 이러한 바다를 유지하기 위해서, 얼음 껍질 바닥에서의 지형학적 점성 완화와 얼음 용융이 균형을 유지해야 한다. 이 연구에서 우리는 용융 시간 틀과 비교하여, 완화 시간 틀을 이끌어낼 수 있는 내부 열상태(interior thermal state)를 조사했다. 우리의 결과는 방사성 가열로 인한 것보다, 약 10배나 높은 기본적 열 이동(heat flux)을, 또는 (얼음 껍질이 열평형 상태에 있다면) 기존에 평가된 1.1GW(gigawatts)보다 약 10배 높은 얼음 껍질의 조석 가열률(tidal heating rate)이 필요하다는 것을 나타낸다. 이러한 요구사항은 최근의 측정천문학 연구들과 일치한다.

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전투는 진정한 토성의 나이와 모이보이(moyboys)들의 예측됐던 나이 간에 벌어지고 있다. 이제 그랜드 피날레(Grand Finale)가 다가오고 있다! 토성의 고리와 위성들은 매우 젊은 모습을 가지고 있다. 모이보이들은 고뇌는 점점 깊어지고 있다. 이제 패러다임이 바뀌고 있다.

 

출처 : CEH, 2016. 12. 10.
URL : http://crev.info/2016/12/cassini-saturn-youth/
번역자 : 미디어위원회

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