허셜 우주망원경이 왜소행성 세레스에서 물을 탐지하다.

 

Credit: ESA/ATG medialab

 

그림1> 이 그림은 화성과 목성 중간을 공전하고 있는 소행성 벨트의 왜소행성 세레스를 묘사한 상상화이다.

허셜 우주망원경이 2011년과 2013년 사이 수행한 관측을 통해 이 왜소행성에 얇은 수증기 대기가 형성되어 있다는 사실을 발견했다.

이는 소행성 벨트에 존재하는 천체 중에서 수증기가 감지된 최초의 명백한 사례이다.

허셜 우주망원경은 유럽우주국(이하 ESA)에서 운용 중인 장비로 유럽연구소 컨소시엄에 의해 제작되었으며 NASA역시 중요 파트너로 참여하고 있다.

허셜 우주망원경은 예정대로 액체 냉각수가 소진되어 2013년 4월 과학관측이 중단되었으며, 그간 과학자들은 데이터의 분석을 계속 진행하고 있다. 

 
허셜 우주망원경이 왜소행성 세레스에서 물을 탐지하다.

 

과학자들이 허셜 우주망원경을 이용하여 소행성 벨트에 존재하는 가장 큰 소행성이며 구형에 가까운 천체인 세레스에서 수증기의 결정적인 신호를 최초로 포착해냈다.

수증기로부터 나오는 물보라는 세레스의 얼음 표면이 약간이나마 따뜻해질 때 주기적으로 분출되는 것으로 생각되고 있다.

 

세레스는 왜소 행성으로 분류되어 있는 천체로서 왜소행성은 소행성들보다는 크고 행성보다는 작은 규모를 가진 천체를 말한다.
허셜 우주망원경은 ESA에서 운용중인 장비이며 NASA가 중요 파트너로 참여하고 있다.

 

네이처에 개재된 논문의 수석 저자인 스페인 ESA의 미셸 쿠퍼스(Michael Kuppers)의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견은 세레스를 비롯한 소행성 벨트의 천체들에서 명확하게 수증기를 발견한 최초의 사례이며 세레스가 얼음 표면과 대기를 가지고 있다는 것을 증명한 사례입니다."

 

이번 결과는 1년 이상 베스타를 공전한 후 세레스로 향하고 있는 NASA의 던 우주선에게는 적절한 연구결과이기도 하다.
던 우주선은 2015년 봄 세레스에 도착할 예정이며, 가장 지근거리에서 세레스의 표면을 촬영하게 될 것이다.

 

이에 대한 NASA 제트추진 연구소의 부수석 연구원인 캐롤 레이몬드(Carol Raymond)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 세레스로 향하고 있는 우주선을 가지고 있죠.

그래서 이번 흥미로운 결과에 대해 보다 많은 정보를 얻기 위해 오래 기다릴 필요가 없습니다.
그 천체가 바로 우리 앞에 있기 때문이죠.
던 우주선은 고해상 장비로 세레스 표면에 대한 지질학적 화학적 지도를 만들게 될 것이며 분출 활동의 추동 기재에 대해 밝혀주게 될 것입니다."

 

지난 세기, 세레스는 태양계에서 가장 큰 소행성으로 알려졌었다.
그러나 2006년, 행성형 천체에 대한 명명권을 가진 관리기구인 국제 천문 연맹은 세레스의 큰 규모를 이유로 왜소행성으로 재분류하였다.

 

세레스의 직경은 950킬로미터이다.
1801년 세레스가 처음으로 발견되었을 때 천문학자들은 세레스를 화성과 목성 사이를 공전하는 행성이라 생각했다.
그 후에 유사한 공전궤도를 가진 다른 천체들이 발견되면서 우리 태양계에 소행성으로 이루어진 벨트가 있다는 것을 알게 되었다.

 

과학자들은 세레스가 얼음으로 이루어진 두꺼운 맨틀 내부에 암석을 가지고 있을 것이라 믿고 있으며 만약 이 얼음들이 녹으면, 현재 지구에 존재하는 물보다 더욱 순도가 높은 물이 상당할 것이라고 생각하고 있다.

 

세레스를 구성하고 있는 물질들은 우리 태양계가 생성되던 처음 수백만년동안의 물질들로 이루어졌을 것으로 보이며, 이는 행성이 형성되기도 전에 뭉쳐진 것일 것이다.

 

지금까지 세레스의 얼음은 이론상으로만 존재하던 것이었고, 그 존재가 직접 탐지된 것은 아니었다.
바로 그 존재가 마침내 허셜의 원적외선으로 관측에서 수증기의 명확한 분광신호로 발견된 것이다.

 

그러나 허셜 우주망원경이 항상 이 수증기를 볼 수 있었던 것은 아니다.
허셜 우주망원경은  모두 네 차례 수증기의 탐색을 시도한 바 있는데 어떤 경우에도 신호가 포착되지 않았었다.
이것이 과학자들이 이 관측이 그저 헤프닝이라고 생각한 이유이다. 

 
세레스가 공전궤도상에서 태양으로부터 가장 가까운 지점을 통과할 때, 표면의 일부 얼음이 수증기를 만들어 분출될 수 있을만큼 가열되었고, 초당 6킬로그램의 비율로 수증기분출이 발생하였다.
그러나 세레스가 공전궤도 상에서 태양과 멀어져 차가와지면 그 어떤 수증기 분출도 일어나지 않았다.

 

수증기 신호의 강도 역시 수시간, 수주, 수개월에 걸쳐 다양하게 변화하였는데, 이는 세레스의 수증기 분출물이 세레스의 자전에 따라 허셜의 시각에서 안쪽으로 돌어오거나 바깥쪽으로 돌아가거나 했기 때문이다.

 

Image Credit: Adapted from Kuppers et al.

 

표1> 이 도표는 세레스에서 감지된 물 흡수선 신호의 다양한 강도를 보여주고 있다.

 

이러한 현상은 과학자들로 하여금 수증기의 원인이 된 물이 존재하는 지역을 지목할 수 있게 해 주었다. 
지목된 두 지역은 세레스의 다른 지역들보다 더 검은 지역이며, 이전에 이미 허블 우주망원경과 지상에 위치한 망원경을 통해 목격된 바 있다.

 

검은 물질은 밝은 물질보다 훨씬 더 빨리 가열되기 때문에 이 검은 점들은 분출가스를 더 잘 만들어낼 수 있을 것이다.

 

던 우주선이 세레스에 도착하게 되면 이 구조물들을 조사할 수 있을 것이다.

 

이번 연구결과는 어느정도는 기대밖의 성과인데 소행성의 사촌격이며 얼음성분이 더 많은 천체인 혜성들이 일반적으로 제트나 분출물을 만들어내는 것으로 알려져 있는 반면 소행성 벨트의 천체들은 그러한 모습을 보이지 않았기 때문이다.

 

JPL의 폴 본 올멘(Paul von Allmen)과 함께 수증기 분출양상을 모델화하는데 기여한 JPL의 이승원씨의 소감은 다음과 같다.
"혜성과 소행성간의 경계는 점점더 불투명해지고 있습니다.
우리는 혜성과 같은 활동성을 보이는 소행성 벨트 상의 소행성들에 대해 알고 있었습니다.
그러나 소행성 유형의 천체에서 수증기가 발견된 것은 이번이 처음입니다."
 
이번 연구는 NASA의 딥임펙트 미션이나 앞으로 에정된 OSIRIS-Rex 미션을 포함한, 우주선에 의한 방문 대상 소형천체를 관측하는 허셜 MACH-11 프로그램의 일환으로 11개의 소행성을 탐색하던 중 이루어졌다.

 

MACH-11 프로그램을 맡고 있는 ESA의 수석 연구원은 Laurence O' Rourke 이다.

* 출처 : NASA Solar System Exploration 2014년 1월 22일 News Release
            http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=46191

 

참고 : 세레스를 비롯한 태양계 작은 천체에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          왜소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346957
          소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346956
          혜성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346955
          유성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346954

 

 

원문>

Herschel Telescope Detects Water on Dwarf Planet
22 Jan 2014
(Source: NASA/JPL)

Scientists using the Herschel space observatory have made the first definitive detection of water vapor on the largest and roundest object in the asteroid belt, Ceres.

Plumes of water vapor are thought to shoot up periodically from Ceres when portions of its icy surface warm slightly. Ceres is classified as a dwarf planet, a solar system body bigger than an asteroid and smaller than a planet.

Herschel is a European Space Agency (ESA) mission with important NASA contributions.

"This is the first time water vapor has been unequivocally detected on Ceres or any other object in the asteroid belt and provides proof that Ceres has an icy surface and an atmosphere," said Michael Küppers of ESA in Spain, lead author of a paper in the journal Nature.

The results come at the right time for NASA's Dawn mission, which is on its way to Ceres now after spending more than a year orbiting the large asteroid Vesta. Dawn is scheduled to arrive at Ceres in the spring of 2015, where it will take the closest look ever at its surface.

"We've got a spacecraft on the way to Ceres, so we don't have to wait long before getting more context on this intriguing result, right from the source itself," said Carol Raymond, the deputy principal investigator for Dawn at NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif. "Dawn will map the geology and chemistry of the surface in high resolution, revealing the processes that drive the outgassing activity."

For the last century, Ceres was known as the largest asteroid in our solar system. But in 2006, the International Astronomical Union, the governing organization responsible for naming planetary objects, reclassified Ceres as a dwarf planet because of its large size. It is roughly 590 miles (950 kilometers) in diameter. When it first was spotted in 1801, astronomers thought it was a planet orbiting between Mars and Jupiter. Later, other cosmic bodies with similar orbits were found, marking the discovery of our solar system's main belt of asteroids.

Scientists believe Ceres contains rock in its interior with a thick mantle of ice that, if melted, would amount to more fresh water than is present on all of Earth. The materials making up Ceres likely date from the first few million years of our solar system's existence and accumulated before the planets formed.

Until now, ice had been theorized to exist on Ceres but had not been detected conclusively. It took Herschel's far-infrared vision to see, finally, a clear spectral signature of the water vapor. But Herschel did not see water vapor every time it looked. While the telescope spied water vapor four different times, on one occasion there was no signature.

Here is what scientists think is happening: when Ceres swings through the part of its orbit that is closer to the sun, a portion of its icy surface becomes warm enough to cause water vapor to escape in plumes at a rate of about 6 kilograms (13 pounds) per second. When Ceres is in the colder part of its orbit, no water escapes.

The strength of the signal also varied over hours, weeks and months, because of the water vapor plumes rotating in and out of Herschel's views as the object spun on its axis. This enabled the scientists to localize the source of water to two darker spots on the surface of Ceres, previously seen by NASA's Hubble Space Telescope and ground-based telescopes. The dark spots might be more likely to outgas because dark material warms faster than light material. When the Dawn spacecraft arrives at Ceres, it will be able to investigate these features.

The results are somewhat unexpected because comets, the icier cousins of asteroids, are known typically to sprout jets and plumes, while objects in the asteroid belt are not.

"The lines are becoming more and more blurred between comets and asteroids," said Seungwon Lee of JPL, who helped with the water vapor models along with Paul von Allmen, also of JPL. "We knew before about main belt asteroids that show comet-like activity, but this is the first detection of water vapor in an asteroid-like object."

The research is part of the Measurements of 11 Asteroids and Comets Using Herschel (MACH-11) program, which used Herschel to look at small bodies that have been or will be visited by spacecraft, including the targets of NASA's previous Deep Impact mission and upcoming Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer (OSIRIS-Rex). Laurence O' Rourke of the European Space Agency is the principal investigator of the MACH-11 program.

Herschel is a European Space Agency mission, with science instruments provided by consortia of European institutes and with important participation by NASA. While the observatory stopped making science observations in April 2013, after running out of liquid coolant, as expected, scientists continue to analyze its data. NASA's Herschel Project Office is based at JPL. JPL contributed mission-enabling technology for two of Herschel's three science instruments. The NASA Herschel Science Center, part of the Infrared Processing and Analysis Center at the California Institute of Technology in Pasadena, supports the U.S. astronomical community.

Dawn's mission is managed by JPL for NASA's Science Mission Directorate in Washington. Dawn is a project of the directorate's Discovery Program, managed by NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Ala. UCLA is responsible for overall Dawn mission science. Orbital Sciences Corp. in Dulles, Va., designed and built the spacecraft. The German Aerospace Center, the Max Planck Institute for Solar System Research, the Italian Space Agency and the Italian National Astrophysical Institute are international partners on the mission team. Caltech manages JPL for NASA.

More information about Herschel is online at: http://www.esa.int/SPECIALS/herschel. More information about NASA's role in Herschel is available at: http://www.nasa.gov/herschel. For more information about NASA's Dawn mission, visit: http://www.nasa.gov/dawn.

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