천왕성의 오로라

 

 

사진설명 >

이 사진은 지구에서 사상 처음으로 천왕성의 오로라를 선명하게 잡아낸 사진이다.

오로라는 태양의 고에너지 입자가 행성의 자기장을 따라 들어가 상층대기에 침입할 때 발생하는 현상으로서 이때 행성의 대기가스들이 빛을 발하면서 나타나는 현상이다.  

2011년 11월 태양활동이 왕성해지던 시점에 태양에서 분출된 대전입자가 지구와 목성, 천왕성을 연속적으로 엄습하는 광경이 자외선으로 촬영되었다.

천왕성의 자기장은 자전축에서 59도 기울어져 있기 때문에 오로라가 나타는 지점역시 이 행성의 북극이나 남극에서 한참 떨어져 있다.

이 사진은 2011년 허블 우주망원경이 가시광선 및 자외선 대역에서 촬영한 오로라 데이터와 1986년 보이저 2호가 가시광선 대역으로 촬영한 청록색의 행성 사진, 그리고 2011년 제미니 천문대에서 적외선 대역으로 촬영한 희미한 천왕성의 고리를 합성한 사진이다.

 

AGU News Release

 

과학자들이 사상 최초로 거대한 얼음 행성 천왕성의 오로라를 지구에서 촬영하면서 머나먼 거리의 이 행성이 얼마나 독특한 세상인지를 알려주는 진일보한 증거를 찾아냈다.

 

허블 우주망원경의 관측스케줄을 대단히 치밀하게 조정하여 탐지해낸 이번 발견은 천왕성에서 발생하는 오로라가 지구의 극지에서 자주 발생하는 다채로운 색깔의 커튼 형태를 띠는 올로라와는 달리 매우 짧은 순간, 희미하게, 점의 형태로 발생한다는 것으로 보여주었다.

지상의 망원경으로 처음으로 발견된 천왕성의 오로라는 허블우주망원경이 바라볼 수 있는 천왕성의 주간반구에서 하루동안 두번의 빛나는 점으로 나타났다.

 

이전에는, 이처럼 머나먼 거리의 오로라는 이 행성들을 지나가는 우주선에 의해서만 측정 가능했다.

 

지구에서 초록색과 보라색으로 수시간동안 빛을 밝히고 있는 오로라와는 달리 천왕성의 오로라는 2분여동안만 지속되었다. 

 

일반적으로 오로라는 행성의 자기장에 의해 통제되고 있는 자기권에 태양으로부터 뿜어져나온 대전 입자들이 지속적으로 유입되면서 만들어지는 현상이다.  

대전된 태양풍이 자기권에 의해 가속되면서, 그리고 자기권 극지방 가까이의 자기장으로 빨려들면서 만들어지기 때문에,

지구에서 오로라는 고위도에서 관측된다.

그러나 천왕성은 지구와는, 심지어 목성이나 토성과도 매우 다르다.

이번 연구 책임자인 프랑스 무동의 파리 천문대  Laurent Lamy는 천왕성의 자기권에 대해 우리가 알고 있는 건 거의 없다고 단언한다.  

 

프랑스와 영국, 미국의 연구진들을 포함하여 이번 연구팀의 발견내용은 오는 토요일(4월 21일) 지구물리학조사보고서(Geophysical Research Letters)와 미국 지구물리학 연맹지(a journal of the American Geophysical Union)에 발표될 예정이다. 
 
천왕성의 오로라는 지구의 오로라보다 훨씬 희미하며, 40억 킬로미터나 더 떨어져있다.

 

이전에 지구에서 시도된 이 희미한 오로라의 탐색 노력에서는 결정적인 증거들을 찾을 수 없었다.

천문학자들이 천왕성의 오로라를 마지막으로 접할 수 있었던 때는 25년 전, 보이저 2호가 이 행성을 지나갈때 발광점으로부터 수집된 일련의 스펙트럼이 전부였다.

Lamy는 천왕성이 보이저 호가 이 행성을 통과했던 1986년에 유일하게 한 번 세세하게 관측된 이후 지금까지, 괴상한 자기권에 대해 관측할 기회가 전혀 없었다고 말했다. 

행성과학자들은 이 행성의 자전축이 우리를 향하고 있다는 사실을 알게됐을 때 천왕성이 우리 태양계 행성들 중에서 매우 이상한 행성임을 알게되었다.

다른 행성들이 태양주위를 공전하면서 팽이처럼 자전을 하고 있음에 반해 천왕성은 완전히 옆으로 기울어져 있음에도 여전히 회전을 계속하고 있다. 
 
연구진은 이번에 새로 관측된 오로라의 이상한 외형은 천왕성의 불가사이한 자전과 특이한 자기장 축 때문에 기인하는 것으로 생각하고 있다.

자기장 축은 행성의 중심으로부터 분기되어 나오는데, 천왕성의 자기장 축은 자전축으로부터 60도나 기울어져 있으며 이는 지구의 자전축과 자기장축이 11도만 차이가 난다는 사실과 비교하면 엄청난 차이를 보이는 것이다.

과학자들은 천왕성의 자기장은 행성의 소금기가 있는 바다에서 생성되며, 이로인해 자기장 축이 중심에서 벗어나 있는 것이라는 가설을 세우고 있다.

 

2011년에 관측된 오로라는 지구의 오로라와도 다를 뿐 아니라 이전에 보이저 2호가 관측했던 것과도 다른 형태를 가지고 있다.

보이저 호가 천왕성을 지나갈 때, 천왕성은 거의 동지에 다다른 상태로서 자전축이 거의 태양을 향하고 있었다.

그런 상태에서 자기장 축은 태양풍과는 큰 각을 이루고 있었고, 이때의 자기권은 훨씩 역동적이기는 했지만 지구의 자기권과 유사한 형태를 띨 수 있었다.

1986년 동지점에 다다른 천왕성에서 발생한 오로라는 최근에 발견된 오로라보다 훨씬 더 오래동안 지속되었고 주로 야간 반구에서 발견이 되었는데, 이는 지구에서 관측되는 오로라와 유사한 특징이기도 하다.

하지만 허블 우주망원경으로는 천왕성의 야간반구를 볼 수 없기 때문에 연구원들은 그곳에서 어떤 오로라가 발생하고 있다고 하더라도 그것이 어떤 유형의 오로라인지를 알 수 없다. 
 
그러나 이번의 관측은 이 행성의 거의 춘분에 다다른 때이며, 천왕성의 자전축도 태양을 향하지 않고, 태양풍으로부터는 거의 수직으로 정렬하고 있다.

 

자기장 축의 기울기 때문에, 천왕성이 춘분점을 지나는 동안의 자전에서 자기장 극점은 하루어 두 번 태양을 향하게 되고 천왕성이 동지점에 있을 때 봤던 모습과는 매우 다른 유형의 오로라를 만들게 되는 것으로 라미는 설명했다.

라미는 이러한 특징들이 우리 태양계에서는 매우 독보적인 특징이라고 덧붙였다.

2011년에 점으로 보인 2개의 단속적인 점들은 천왕성의 자기장 북극 근처에서 관측되었다.

천왕성의 오로라 사진은 대단한 행운과, 치밀한 계획의 결과로 얻어졌다.

2011년 지구와 목성과 천왕성은 일렬로 늘어섰고, 태양으로부터 쏟아져나온 태양풍이 지구와 목성을 거친 후 천왕성으로 향했다.

2011년 9월 중순경에 태양에서 몇몇 거대한 폭발로 대전입자들이 쏟아져나온 이후 연구원들은 지구 궤도의 인공위성들을 활용하여 태양풍이 2~3일 후 지구에 도착하는 것을 모니터링했다.

2주 후 이 태양풍은 목성을 초속 5백 킬로미터로 통과했고, 이런 속도라면 대전입자들은 11월 중순에 천왕성을 다다를 것으로 예측되었다.
곧 연구팀은 허블우주망원경의 관측 스케줄을 급히 확보했다.

 
행성과학자인 콜로라도대학의 Fran Bagenal의 소감은 다음과 같다.
"보이저 2호가 천왕성이 매우 이상한 괴물임을 보여준 이후 우리는 훨씬 훌륭한 장면을 얻기 위해 매우 예민해져야 했습니다.
그런 측면에서 이번 관측에서 우리는 매우 영리했죠."

 

천왕성의 자기권을 더 잘 이해함으로써 과학자들은 지구의 자기권이 어떻게 기능하는지에 대한 자신들의 이론을 검증하는데 도움을 받을 수 있을 것이라고 그녀는 덧붙였다.

"우리는 물체들이 지구에서 그리고 목성이나 토성과 같은 장소에서는 어떻게 움직이는지에 대한 아이디를 가지고 있습니다.
그러나 아주 다른 환경에서 이들을 테스트 할 때까지는 이들이 어떻게 움직이는지에 대해 알고 있다고 생각하는 것을 믿을 수는 없습니다. "

 

 

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
본 내용은 2012년 4월 19일 발표된 뉴스입니다.

금번 뉴스에서 사진설명> 부분은 허블공식사이트의 News Release에서 발췌되었으나  세부 설명자료는 미국 지구물리학연맹(AGU, American Geophysical Union)에서 발췌되었습니다.

   http://www.agu.org/news/press/pr_archives/2012/2012-19.shtml

 

참고 : 천왕성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346950

 

원문>

사진설명>

These are among the first clear images, taken from the distance of Earth, to show aurorae on the planet Uranus. Aurorae are produced when high-energy particles from the Sun cascade along magnetic field lines into a planet's upper atmosphere. This causes the planet's atmospheric gasses to fluoresce. The ultraviolet images were taken at the time of heightened solar activity in November 2011 that successively buffeted the Earth, Jupiter, and Uranus with a gusher of charged particles from the Sun. Because Uranus' magnetic field is inclined 59 degrees to its spin axis, the auroral spots appear far from the planet's north and south poles. This composite image combines 2011 Hubble observations of the aurorae in visible and ultraviolet light, 1986 Voyager 2 photos of the cyan disk of Uranus as seen in visible light, and 2011 Gemini Observatory observations of the faint ring system as seen in infrared light.

 

AGU News Release

Uranus auroras glimpsed from Earth

13 April 2012
AGU Release No. 12-19
For Immediate Release

WASHINGTON—For the first time, scientists have captured images of auroras above the giant ice planet Uranus, finding further evidence of just how peculiar a world that distant planet is. Detected by means of carefully scheduled observations from the Hubble Space Telescope, the newly witnessed Uranian light show consisted of short-lived, faint, glowing dots – a world of difference from the colorful curtains of light that often ring Earth's poles.

In the new observations, which are the first to glimpse the Uranian aurora with an Earth-based telescope, the researchers detected the luminous spots twice on the dayside of Uranus – the side that’s visible from Hubble. Previously, the distant aurora had only been measured using instruments on a passing spacecraft. Unlike auroras on Earth, which can turn the sky greens and purples for hours, the newly detected auroras on Uranus appeared to only last a couple minutes.

In general, auroras are a feature of the magnetosphere, the area surrounding a planet that is controlled by its magnetic field and shaped by the solar wind, a steady flow of charged particles emanating from the sun. Auroras are produced in the atmosphere as charged solar wind particles accelerate in the magnetosphere and are guided by the magnetic field close to the magnetic poles – that’s why the Earthly auroras are found around high latitudes.

But contrary to the Earth – or even Jupiter and Saturn – “the magnetosphere of Uranus is very poorly known,” said Laurent Lamy, with the Observatoire de Paris in Meudon, France, who led the new research.

The results from his team, which includes researchers from France, the United Kingdom, and the United States, will be published Saturday in Geophysical Research Letters, a journal of the American Geophysical Union.

Auroras on Uranus are fainter than they are on Earth, and the planet is more than 4 billion kilometers (2.5 billion miles) away. Previous Earth-bound attempts to detect the faint auroras were inconclusive. Astronomers got their last good look at Uranian auroras 25 years ago when the Voyager 2 spacecraft whizzed past the planet and recorded spectra from of the radiant display.

“This planet was only investigated in detail once, during the Voyager flyby, dating from 1986. Since then, we’ve had no opportunities to get new observations of this very unusual magnetosphere,” Lamy noted.

Planetary scientists know that Uranus is an oddball among the solar system’s planets when it comes to the orientation of its rotation axis. Whereas the other planets resemble spinning tops, circulating around the Sun, Uranus is like a top that was knocked on its side – but still keeps spinning.

The researchers suspect that the unfamiliar appearance of the newly observed auroras is due to Uranus’ rotational weirdness and peculiar traits of its magnetic axis. The magnetic axis is both offset from the center of the planet and lists at an angle of 60 degrees from the rotational axis – an extreme tilt compared to the 11 degree difference on Earth. Scientists theorize that Uranus’s magnetic field is generated by a salty ocean within the planet, resulting in the off-center magnetic axis.

The 2011 auroras differ not only from Earth’s auroras but also from the Uranian ones previously detected by Voyager 2. When that spacecraft made its flyby decades ago, Uranus was near its solstice – its rotational axis was pointed toward the Sun. In that configuration, the magnetic axis stayed at a large angle from the solar wind flow, producing a magnetosphere similar to the Earth’s magnetosphere, although more dynamic. Under those 1986 solstice conditions, the auroras lasted longer than the recently witnessed ones and were mainly seen on the nightside of the planet, similar to what’s observed on Earth, Lamy said. Hubble can’t see the far side of the planet, however, so researchers don’t know what types of auroras, if any, were generated there.

The new set of observations, however, is from when the planet was near equinox, when neither end of the Uranian rotational axis aims at the Sun, and the axis aligns almost perpendicular to the solar wind flow. Because the planet’s magnetic axis is tilted, the daily rotation of Uranus during the period around the equinox causes each of its magnetic poles to point once a day toward the Sun, likely responsible for a very different type of aurora than the one that was seen at solstice, Lamy explained.

“This configuration is unique in the solar system,” added Lamy, who noted that the two transient, illuminated spots observed in 2011 were close to the latitude of Uranus’s northern magnetic pole.

Capturing the images of Uranus’s auroras resulted from a combination of good luck and careful planning. In 2011, Earth, Jupiter and Uranus were lined up so that the solar wind could flow from the Sun, past Earth and Jupiter, and then toward Uranus. When the Sun produced several large bursts of charged particles in mid-September 2011, the researchers used Earth-orbiting satellites to monitor the solar wind’s local arrival two to three days later. Two weeks after that, the solar wind sped past Jupiter at 500 kilometers per second (310 miles per second). Calculating that the charged particles would reach Uranus in mid-November, the team scrambled to scheduled time on the Hubble Space Telescope.

Ever since the Voyager 2 flyby demonstrated that Uranus was a “strange beast,” said Fran Bagenal, a planetary scientist with the University of Colorado in Boulder, “we’ve been really keen to get a better view. This was a very clever way of looking at that.”

A better understanding of Uranus’ magnetosphere could help scientists test their theories of how Earth’s magnetosphere functions, she added. “We have ideas of how things work on Earth and places like Jupiter and Saturn, but I don’t believe you really know how things work until you test them on a very different system.”

Notes for Journalists

Journalists and public information officers (PIOs) of educational and scientific institutions who have registered with AGU can download a PDF copy of this paper in press.

Or, you may order a copy of the final paper by emailing your request to Kate Ramsayer at kramsayer@agu.org. Please provide your name, the name of your publication, and your phone number.

Neither the paper nor this press release are under embargo.

Title

“Earth-based detection of Uranus' aurorae”

Authors

L. Lamy and R. Prange: LESIA, Obs. de Paris, CNRS, UPMC, Univ. Paris Diderot, Meudon, France;

K. C. Hansen: Department of Atmospheric, Oceanic and Space Sciences, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA;

J. T. Clarke: Center for Space Physics, Boston University, Boston, Massachusetts, USA;

P. Zarka, B. Cecconi, and J. Aboudarham: LESIA, Obs. de Paris, CNRS, UPMC, Univ. Paris Diderot, Meudon, France;

N. Andre: Institut de Recherche en Astrophysique, Toulouse, France

G. Branduardi-Raymont: University College London, Mullard Space Science Laboratory, Dorking, UK;

R. Gladstone: Southwest Research Institute, San Antonio, USA;

M. Barthelemy: Institut de Planetologie et d’Astrophysique de Grenoble, Grenoble, France;

N. Achilleos and P. Guio: University College London, London, UK;

M. K. Dougherty: Blackett Laboratory, Imperial College London, London, UK;

H. Melin, S.W.H. Cowley, T.S. Stallard and J. D. Nichols: Department of Physics and Astronomy, University of Leicester, Leicester, UK

G. Ballester: Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona, USA

Contact information for the author

Laurent Lamy, Telephone: +33 1-45-07-76-61 or Email: laurent.lamy@obspm.fr