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2024-11-24 (일)

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[우주의 속삭임(67)] NASA, 명왕성의 최대 위성 카론에서 이산화탄소 감지

태양에서 57억km 떨어진 태양계의 외곽에는 왜소행성인 명왕성이 있다. 호주보다 작은 명왕성은 평균 기온이 섭씨 영하 232도로, 산과 빙하, 분화구로 이루어진 얼음 세계이다. 왜소행성 또는 왜행성은 태양을 공전하는 태양계 내 천체의 일종으로 행성 조건은 충족하지 못하지만 소행성보다는 행성에 가까운 중간적 천체이다. 명왕성 주위에는 스틱스, 닉스, 케르베로스, 히드라, 카론 등 다섯 개의 위성이 돌고 있으며, 이중 카론이 가장 크다. 다른 대부분의 행성계와 달리 카론은 모체인 명왕성와 함께 '쌍성계'로 존재한다. 이는 두 행성이 모두 둘 사이의 공간 한 지점을 공전하는 것을 의미한다. 명왕성과 위성을 둘러싼 수수께끼는 여전히 많다. 그런 가운데 미국 사우스웨스트 연구소의 천문학자 실비아 프로토파파가 이끄는 연구팀이 카론 표면에서 이산화탄소와 과산화수소를 발견했다고 더컨버세이션이 전했다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 발표됐다. 나사(NASA)의 제임스 웹 우주 망원경이 포착한 데이터에 기반한 이 발견은 비행성 또는 행성계가 어떻게 형성되었는지에 대한 중요한 단서를 제공한다. ◆ 명왕성 최대 위성 카론 과학자들은 1978년 명왕성의 궤도를 연구하던 중 처음으로 카론을 발견했다. 카론은 명왕성의 작은 쌍둥이와 비슷하다. 명왕성의 약 절반 크기로, 폭이 1200km가 조금 넘는다. 따라서 태양계에서 모체(명왕성)와 비교해 (상대적으로) 가장 큰 것으로 알려진 위성이다. 명왕성 자체는 지구의 달보다 작다. 명왕성의 크기는 달의 약 3분의 2이고 질량은 6분의 1이다. 카론의 질량은 명왕성의 약 8분의 1이다. 카론과 명왕성은 특이한 궤도를 가지고 있다. 카론이 명왕성 주위를 도는(공전) 동안 명왕성도 중심점을 공전한다. 즉 한 지점을 중심으로 카론과 명왕성이 같이 도는 것이다. 그들은 거의 이중 왜성처럼 움직인다. 이는 달과 지구와는 관계와는 다르다. 달은 지구를 중심으로 돌고, 지구는 위치를 바꾸지 않고 태양을 중심으로만 공전한다. 이것이 명왕성이 행성으로 인정받지 않고 왜소행성으로 분류되는 이유 중 하나다. ◆ 카론의 구성 2015년, 나사의 뉴 호라이즌스는 발사된 지 9년이 지난 후 명왕성과 그 위성을 근접 탐사했다. 탐사 결과는 최대 위성 카론이 다양한 화학 물질로 구성되어 있음을 보여주었다. 카론은 얼음이 풍부한 매우 차가운 위성이다. 여기에는 암모니아와 다양한 탄소 기반 화합물도 포함되어 있다. 카론에는 지구의 화산처럼 마그마를 쏟아내는 대신 얼음이 분출되는 극저온 빙화산(cryovolcano)이 있는 것으로 여겨진다. 명왕성의 구성과는 다르다. 카론에서 이산화탄소와 과산화수소를 새로 발견한 것은 인접 해왕성 너머 천체에서 다양한 프로세스가 어떻게 상호 작용하는지에 대한 다양한 정보와 지식을 얻고 미래 가능성도 예상할 수 있다. 그중 이산화탄소는 우리가 이해해야 할 핵심 분자다. 천체의 역사에 대해 많은 것을 알려주기 때문이다. 카론의 경우 이산화탄소는 얼음 표면 아래에서 발생하며, 소행성 및 기타 물체가 카론과 충돌해 분화구를 만들면서 새로운 지하 표면을 노출시키는 것으로 알려져 있다. ◆ 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 큰 발견 천문학자들은 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 관측을 통해 카론에서 이산화탄소를 감지했다. 2021년에 작동을 시작한 이 우주 망원경은 폭 6.5m의 대형 거울을 장착해 매우 강력하고 민감하다. 제임스 웹은 사람의 눈이나 지구상에 설치된 대부분의 망원경이 감지할 수 없는 빛의 색상인 적외선을 볼 수 있다. 적외선은 행성에서 별, 은하계 등 다른 천체에 존재하는 다양한 분자를 찾는 데 중요한 빛이다. 이런 화합물을 찾기 위해 망원경은 분광법이라는 기술을 사용한다. 빛은 프리즘을 통과할 경우 무지개같이 나뉘는 것처럼, 빛의 파장에 따라 여러 색상으로 분해된다. 합물의 각 원소나 분자 역시 고유한 색상 특징을 가지고 있다. 분광법을 통해 그 색상을 찾아내고 원소의 종류를 판별한다. 분광법을 이용한 새로운 관찰을 통해 카론에서 지금까지 알려진 것과 달리 물, 얼음과 함께 이산화탄소와 과산화수소의 특징이 나타난 것이다. ◆ 고대 수수께끼에 대한 중요한 단서 카론의 형성은 과학계에서는 미스터리다. 가장 유력한 이론 중 하나는 달과 비슷한 방식으로 형성되었다는 것이다. 이 이론에 따르면 약 45억 년 전, 명왕성과 카론이 위치한 카이퍼 벨트에서 큰 물체가 명왕성과 충돌했고, 명왕성의 일부가 떨어져 나가 카론이 형성되었다. 또 명왕성과 충돌한 물체가 카론이었으며, 이들이 서로를 공전하는 궤도에 묶였을 가능성도 있다. 카론의 화학적 구성을 이해하면 카론이 어떻게 형성되었는지에 대한 이해를 높일 수 있다. 그런 의미에서 카론에서 이산화탄소와 과산화수소의 발견은 중요한 진전이다. 카론뿐만 아니라 명왕성 근처의 다른 천체에 대한 단서를 제공할 수도 있다. 카론에 대한 더욱 풍부한 정보들이 태양계의 먼 부분에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것이라는 기대다.
- IT/바이오
2024-10-07
[우주의 속삭임(66)] 달, 지구가 '낚아챈' 외계 천체?…새로운 기원설 등장

달은 약 45억 년 전 지구와 테이아(Theia)라는 작은 행성의 충돌로 형성된 것으로 널리 알려져 있다. 그런데 최근 연구에서 달의 기원에 대한 새로운 이론이 제안돼 관심을 끌고 있다고 어스닷컴이 전했다. 연구에 따르면 초기의 젊은 지구가 쌍성계에 가까이 접근해 달을 낚아챘을 가능성이 있다고 한다. 지금까지의 통설과는 큰 차이가 나는 이론 제안이다. 지난 1969~1972년 사이, 여섯 차례의 달 탐사 임무를 통해 아폴로 우주비행사들은 800파운드(약 363kg)가 넘는 달의 암석과 토양을 수집했다. 이 샘플에 대한 화학 및 동위원소 분석 결과, 그것들이 지구의 암석 및 토양과 유사하다는 사실이 밝혀졌다. 칼슘이 풍부하고 현무암질이었으며 태양계가 형성된 후 약 6000만 년이 지난 것으로 나타났다. 아폴로 샘플 데이터를 바탕으로 1984년 하와이에서 열린 코나 회의에 모인 행성 과학자들은 달이 지구와의 대규모 충돌 후 파편으로 형성되었다 합의에 도달했다. 달의 기원에 대한 이 이론은 수십 년 동안 정론으로 받아들여져 왔다. 그런데 펜실베이니아 주립대학의 연구진은 최근 연구에서 오랫동안 유지되어 온 이 이론에 이의를 제기했다. 다렌 윌리엄스, 마이클 저거 교수가 주관한 연구팀이 달은 지구와 한 쌍의 암석체가 근접 조우했을 때 만들어졌다는 새로운 관점을 제시한 것이다. 윌리엄스는 "코나 회의를 통해 40년 동안 달 형성 이론이 확립됐지만 몇 가지 미해결 의문이 남아 있었다"고 지적했다. 그중 하나는 달의 궤도에 관한 것이다. 달이 지구 충돌의 잔해에서 만들어져 지구 궤도에 정착했다면, 지구의 적도 바로 위를 공전해야 한다. 그러나 달의 궤도는 지구 적도와 정렬되지 않고 태양과 더 일치한다. 이에 따라 연구팀은 달의 형성을 이진 교환 포획 이론(binary-exchange capture theory)으로 해석했다. 지구의 중력은 이진법에 따라 두 천체를 분리했고, 그중 달을 붙잡고 다른 천체는 떨어져 나갔다는 것이다. 지구 중력으로 붙잡힌 달은 오늘날의 궤도에 안착했다. 연구팀은 이를 태양계의 다른 사례와 비교하면서 "전례가 있었다"고 설명했다. 해왕성의 가장 큰 위성인 트리톤을 비슷한 사례로 제시했다. 트리톤은 카이퍼 벨트((Kuiper Belt)에서 궤도로 끌려온 것으로 여겨지고 있다. 카이퍼 벨트에서는 약 10%의 천체가 쌍성계로 이루어진 것으로 추정된다. 트리톤의 역행 궤도(해왕성의 자전과 반대)가 행성 적도에서 67도 기울어진 것이 이를 반증한다. 연구팀은 지구가 달보다 더 큰 위성, 즉 수성이나 화성 크기의 천체를 붙잡을 수 있다고 계산했다. 그러나 그들은 궤도를 유지할 만큼 안정적이지 않았을 수 있다는 지적이다. 연구원들은 달의 궤도가 처음에는 원이 아닌 타원으로 시작했다고 설명한다. 시간이 지남에 따라 지구의 조수가 궤도에 영향을 미쳐 궤도가 바뀌었다. "지구의 만조는 궤도를 가속한다. 궤도에 추진력을 줌으로써 시간이 지남에 따라 달이 조금씩 멀어진다"는 것이다. 이 같은 작용으로 초기 달의 타원형 궤도는 수천 년에 걸쳐 수축되어 점차 원형이 되었을 것으로 추정했다. 결국 달의 자전은 지구를 도는 달의 궤도에 고정되었고, 이 상태는 오늘날에도 지속되고 있다. 한편 연구팀은 달이 매년 지구에서 약 3cm씩 더 멀어진다고 설명했다. 현재 달은 23만 9000마일(약 38만km) 떨어져 있으며, 태양과 지구 모두로부터 중력의 영향을 받는다. 태양과 지구 모두가 달을 끌어당기고 있다는 얘기다. 윌리엄스와 저거는 "달이 어떻게 형성되었는지는 아무도 모른다. 지난 40년 동안 달의 형성에 대한 하나의 가능성이 제시됐는데, 이번 연구로 이제는 두 가지가 되었다. 새로운 추가 연구가 필요하다”고 밝혔다. 이 연구는 행성과학 저널(The Planetary Science Journal)에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-10-04
신비한 천체, 블랙홀일까 중성자별일까?

최근 천문학자들이 발견한 신비한 천체가 블랙홀인지 중성자별인지 논란이 되고 있다. 천문학자들은 최근 지구에서 약 4만 광년 떨어진 천체인 콜드웰 73(NGC 1851)에서 빠르게 회전하는 밀리초 펄서를 발견했다. 이 펄서는 태양 질량의 약 3.887배에 달하는 동반 천체를 가지고 있는데, 이는 태양 질량의 2배보다 큰 중성자별보다 무겁고, 태양 질량의 5배보다 작은 블랙홀보다 가볍다. 이러한 천체는 블랙홀 질량 간격에 위치하는 것으로 알려져 있으며, 태양 질량의 2~5배 사이의 질량을 가진 천체는 중성자별과 블랙홀 중 어느 것으로 분류될지 명확하지 않은 상태이다. 과학 전문 매체 유니버스투데이(universetoday)는 최근 남아프리카의 전파천문대 미어캣(MeerKAT, TRAPUM 프로젝트) 망원경을 사용하여 천문학자들이 'NGC 1851'이라는 구상성단 내에 위치한 PSR J0514-4002E라는 특별한 천체를 발견했다고 보도했다. 나사에 따르면 콜드웰 73(NGC 1851)은 1826년 스코틀랜드 천문학자 제임스 던롭(James Dunlop)이 발견했다. 콜드웰 73은 콜롬바 별자리 방향으로 지구에서 약 4만 광년 떨어진 곳에 위치해 있다. 이 조밀한 구상성단은 쌍안경을 통해 발견할 수 있으며, 흐릿한 빛 조각처럼 보인다. 소형 망원경은 성단의 조밀한 중심에서 멀리 떨어져 있는 성단의 개별 별 중 일부를 분해할 수 있다. 콜드웰 73은 겨울에는 북반구의 적도 위도에서, 여름에는 남반구에서 가장 쉽게 볼 수 있다. 과학 저널 '사이언스(Science)'에 실린 연구에 따르면, 이 천체는 편심 이진 밀리초 펄서로, 펄서와 동반 천체의 총 질량은 약 3.887 ± 0.004 태양 질량으로, 이는 블랙홀의 질량 격차에 위치해 있다. 이 연구의 주요 저자는 맥스 플랑크 전파천문학 연구소(Max Planck Institute for Radio Astronomy)의 이완 바르(Ewan Barr)이며, 논문 제목은 '중성자별과 블랙홀 사이의 질량 간격에 컴팩트한 물체가 있는 쌍성계의 펄서'다. 바르와 그의 팀은 초신성 폭발의 결과로 생성된 빠르게 회전하는 중성자별인 밀리초 펄서의 궤도를 도는 컴팩트한 물체를 발견했다. 펄서는 극에서 전자기 에너지 빔을 방출하며 회전한다. 지구와 펄서가 정확히 맞춰져 있을 때, 우리는 펄서의 깜박임을 관찰할 수 있으며, 이로 인해 펄서는 우주의 등대로 불리게 된다. 밀리초 펄서는 초당 1~10밀리초의 회전 주기를 가지며, 이는 분당 6만회에서 6000회 사이의 회전 속도를 의미한다. 이 연구에서, 천문학자들은 펄서의 정밀한 타이밍 분석을 통해 펄서와 블랙홀로 구성된 이진(쌍성계) 시스템 내에 있는 다른 물체를 감지했다. 그들은 아직 펄서와 블랙홀로 구성된 이진 시스템을 발견하지 못했지만, 그러한 발견을 간절히 원하고 있다. 이러한 이진 시스템은 블랙홀 연구에 새로운 접근법을 제공할 수 있으며, 아인슈타인의 일반상대성이론을 새롭게 검증할 기회를 마련할 수 있다. 이 경우 동반체는 작은 블랙홀이 아니라 무거운 중성자별다. 맨체스터 대학의 천체물리학 교수이자 공동 저자인 벤 스태퍼스(Ben Stappers)는 "펄서-블랙홀 시스템은 중력 이론을 시험하는 데 중요한 대상이 될 것이며, 무거운 중성자별은 고밀도 핵물리학에 대한 새로운 통찰을 제공할 것"이라고 말했다. 중성자별은 거대한 별이 초신성으로 붕괴한 후 남은 극도로 밀도가 높은 천체다. 다른 별의 물질과 상호작용하면서 질량을 증가시키고, 더욱 붕괴될 가능성이 있다. 그러나 천문학자들은 중성자별이 붕괴하여 어떤 상태로 변화하는지 확실히 알지 못한다. 그것이 블랙홀로 변할 수도 있는데, 이는 바로 블랙홀 질량 격차를 연구하는 데 중요한 포인트다. 과학자들은 중성자별이 붕괴하려면 태양 질량의 약 2.2배가 되어야 한다고 추정한다. 이것이 붕괴가 발생하는 데 필요한 임계값이다. 그러나 이론과 관찰 모두 이러한 붕괴된 중성자별이 태양보다 5배 더 큰 블랙홀을 생성할 수 있음을 보여준다. 이로 인해 블랙홀 질량 격차가 발생한다. 과학자들은 중성자별이 블랙홀로 붕괴하기 위한 임계 질량이 태양 질량의 약 2.2배라고 추정한다. 이는 붕괴가 발생하기 위해 필요한 임계값이다. 그러나 이론과 관측 모두에서, 이러한 붕괴 과정이 태양 질량보다 5배 더 큰 블랙홀을 형성할 수 있다는 것이 확인됐다. 이는 블랙홀 질량 격차의 원인이다. 그러나 질량 격차에 존재하는 물체의 정체에 대해서는 확실한 결론이 없다. 관측 결과에 따르면, 해당 구역에는 분명히 어떤 물체가 존재하지만, 그 본질을 명확히 식별하기 어렵다. 연구자들은 이 동반체가 두 중성자별의 합병 결과일 가능성을 제시했다. 만약 동반성이 거대한 중성자별일 경우, 이는 펄서일 가능성이 있다. 그러나 연구진은 어떠한 맥동도 감지하지 못했다. 이 쌍성계 내 물체의 기원은 해당 물체가 무엇인지에 대한 해석을 가능하게 한다. 천체물리학자들은 쌍성계의 진화에 대해 상세한 모델을 개발했으며, 이 모델들은 물질의 전달이 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 저자들은 더 낮은 질량의 초기 동반 물체가 펄서에 질량을 전달했다고 여긴다. 이러한 유형의 상호 작용은 별이 촘촘하게 밀집되어 있는 쌍성계 물체가 있는 구상 성단에서 발생할 가능성이 더 높다. 펄서는 또한 매우 빠르게 회전하는데, 이는 동반성으로부터 질량을 얻었다는 또 다른 징후다. 연구팀은 펄서의 초기 동반 물체가 비교적 낮은 질량이었으며, 이 물체로부터 펄서가 질량을 획득했다고 추정한다. 이런 종류의 상호 작용은 별들이 밀집하여 있는 구상 성단 내의 쌍성계에서 발생할 확률이 높다. 펄서의 매우 빠른 회전 속도도, 동반성으로부터 질량을 얻었다는 추가적인 증거를 제공한다. MPIA의 공동 저자 아루니마 듀타(Arunima Dutta)는 "이 쌍성의 진정한 성질을 규명하는 것은 중성자별, 블랙홀, 블랙홀 질량 격차에 숨겨진 모든 가능성에 대한 우리의 이해를 한 단계 발전시킬 것"이라고 말했다.
- 생활경제
2024-01-28