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토성 위성 엔셀라두스 '줄무늬' 정체는 얼음 분출 균열

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토성 위성 엔셀라두스 '줄무늬' 정체는 얼음 분출 균열

2019.12.10 08:49
토성의 위성 엔셀라두스의 특징 가운데 하나인 평행한 줄무늬(사진 왼쪽)의 형성 과정이 밝혀졌다. 사진은 미국항공우주국의 탐사선 카시니 하위헌스 호가 찍은 엔셀라두스의 표면이다. NASA/ESA 제공
토성의 위성 엔셀라두스의 특징 가운데 하나인 평행한 줄무늬(사진 왼쪽)의 형성 과정이 밝혀졌다. 사진은 미국항공우주국의 탐사선 카시니 하위헌스 호가 찍은 엔셀라두스의 표면이다. NASA/ESA 제공

토성의 위성 가운데 여섯 번째로 큰 위성인 ‘엔셀라두스’는 지름이 500km인 공 모양 위성으로 표면을 덮은 30~40km 두깨의 얼음 지각과 그 내부에 있을 것으로 추정되는 10km 깊이의 지하 바다, 그리고 얼음지각 중간중간에서 분수처럼 뿜어 나오는 작은 얼음 알갱이들이 특징이다.

 

엔셀라두스의 또다른 특징은 얼음 지각의 모습이다. 일부 크레이터(충돌구)를 제외하고는 빛을 반사해 새하얗고 매끈해 보이는데, 기이하게도 한쪽에 마치 빗이나 손톱으로 그은 듯 길고 규칙적인 ‘줄무늬’가 반복적으로 나타나 있다. 그 동안 이 줄무늬의 형성 과정이 밝혀지지 않았는데, 미국 연구팀이 이 줄무늬의 형성 과정을 밝혔다.

 

더글러스 헤밍웨이 미국 워싱턴 카네기과학연구소 연구원팀은 엔셀라두스의 얼음지각의 규칙적인 줄무늬가 지하 바다에서 물이 얼음 형태로 뿜어나올 때 발생한 균열이며, 하나의 균열이 연쇄적으로 주변 수십km 지역에 영향을 미쳐 여러 개의 평행한 줄무늬를 만들었다는 사실을 밝혔다. 연구 결과는 천문학 분야 국제학술지 ‘네이처 천문학’ 9일자에 발표됐다.

 

엔셀라두스의 ‘호피무늬’ 지형은 길이는 약 130km이고 남극 부근에 약 35km 간격을 두고 4개 이상 형성돼 있다. 줄무늬에서 얼음 지각 내부의 얼음이 끊임없이 뿜어져 나오는 것으로 보아 지각의 균열일 것으로 천문학자들은 추정하고 있다. 하지만 하필 왜 위성의 극 지역에만 몰려서, 그것도 매우 규칙적이고 평행하게 나 있는지는 그 동안 밝혀지지 않았다.

 

헤밍웨이 연구원팀은 이 지형이 물리적인 현상 때문에 만들어졌을 것으로 보고 과정을 연구했다. 엔셀라두스는 긴 타원형 궤도로 토성 주위를 공전하는데, 이 과정에서 토성에 더 가까워질 때와 멀어질 때 서로 다른 중력을 받는다. 이 중력차 때문에 얼음 지각 내부의 바닷물이 높아졌다 낮아졌다를 반복한다. 이 과정에서 마찰이 발생해 물이 가열됐다 냉각되기를 반복한다. 물이 녹았다 얼면 부피가 늘어나기에, 반복되는 가열과 냉각은 결국 얼음지각에 긴 균열을 형성한다. 특히 남북극은 이런 영향을 크게 받아 얼음지각이 얇다. 이곳이 바로 지하의 물이 분출해 영하 190도 이하의 혹독한 추위에 작은 얼음이 돼 위성 주변에 흩어지는 곳이다.

 

연구팀이 밝힌 엔셀라두스의 균열 형성 과정이다. 토성과의 인력 크기가 변하면서 얼음지각 내부의 물의 움직임이 달라지고, 이 과정에서 역동적인 물의 움직임이 만들어진다. 그 결과 얼음지각에 균열이 생긴다(a). 이후 얼음지각 좌우에 힘이 전달돼 평행한 추가 균열이 형성된다(b,c). 네이처 천문학
연구팀이 밝힌 엔셀라두스의 균열 형성 과정이다. 토성과의 인력 크기가 변하면서 얼음지각 내부의 물의 움직임이 달라지고, 이 과정에서 역동적인 물의 움직임이 만들어진다. 그 결과 얼음지각에 균열이 생긴다(a). 이후 얼음지각 좌우에 힘이 전달돼 평행한 추가 균열이 형성된다(b,c). 네이처 천문학

연구팀은 이 균열이 토성의 중력에 특히 민감하게 반응하는 남북극에서 더 잘 일어날 수 있음을 밝혔다. 지금은 남극에서만 발생했지만, 북극도 시간문제라는 것이다. 또 일단 한번 이 균열이 발생하면 힘이 균열 좌우로 전달돼 일정한 간격으로 평행한 균열을 또 만든다는 사실을 밝혔다(위 그림). 그 결과 약 35km 간격을 두고 나란히 길게 그려진 호피무늬 지형이 탄행했다고 연구팀은 설명했다.

 

헤밍웨이 연구원은 “이 독특한 구조의 형성 과정을 설명해 줄 물리적 효과를 밝힌 연구”라고 말했다.

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