소행성의 해부학

 

Credit: ESO. Acknowledgement: JAXA

 

그림> 독특한 땅콩 모양의 소행성 이토카와의 개요도

천문학자들이 ESO의 신기술 망원경(New Technology Telescope, 이하 NTT)을 이용하여 절묘하게 시간차 측정을 함으로써, 그리고 이를 소행성 표면 지형학 모델과 측정치를 조합하여 서로 다른 밀도를 가진, 서로 다른 부분이 이 소행성이 존재한다는 것을 알아냈다.

이는 소행성의 형성에 대한 비밀뿐 아니라 이 소행성이 태양계에서 충돌이 일어났을 때 무슨 일이 있었는지를 밝혀줄만한 소행성 표면 아래에 대해서도 알 수 있게 해 주었으며 행성이 어떻게 형성되는지에 대한 단서도 제공해 주었다.

일본 우주항공연구개발기구(JAXA)의 하야부사 우주선에 의해 수집된 사진들을 근거로 한 이 소행성의 형태 모델이 이 개요도를 위해 사용되었다.

 

소행성의 해부학

 

ESO의 NTT를 이용하여 소행성들이 매우 다양한 내부 구조를 가질 수 있다는 증거를 처음으로 발견하였다.
매우 정교한 측정을 통해 천문학자들은 이토카와 소행성에서 서로 다른 밀도를 갖는 서로 다른 부분들을 발견해낸 것이다.
이는 소행성의 형성에 대한 비밀을 밝혀 줄 뿐만아니라, 태양계 내에서 이 소행성들이 충돌했을 때 무슨일이 벌어졌는지를 알 수 있게 해주고, 행성이 어떻게 형성되는지에 대한 단서도 제공해준다.

 

지상에서 매우 정교하게 이루어진 관측결과를 이용하여 영국 켄트 대학의 스테판 로우리(Stephen Lowry)와 그의 동료들은 지구근접 소행성인 이토카와의 회전 속도 및 오랜시간동안 이 회전율이 어떻게 변화되어 왔는지를 측정하였다.

 

연구팀은 이들 정교한 관측 데이터와 어떻게 소행성이 열을 복사하는지에 대한 새로운 이론작업을 접목시켰다.

이 작은 소행성은 일본의 우주선인 하야부시 호에 의해 2005년 실체가 드러난 특이한 땅콩 모양을 가진 흥미로운 천체이다.

 

로우리와 그의 연구팀은 이 소행성의 내부구조를 알아내기 위해 2001년부터 2013년까지 칠레 라실라 천문대의 ESO NTT망원경과 다른 망원경들[1]에 의해 촬영된 사진들을 모았으며 회전에 따른 다양한 밝기변화 양상을 측정했다.

이처럼 시간차가 존재하는 데이터들은 이 소행성의 회전주기를 매우 정확하게 추론하는데 사용되었으며, 오랜시간동안 어떻게 회전주기가 변화해 왔는지를 결정하게 해 주었다.

 

소행성의 형태에 대한 지식들을 조합했을 때, 이 관측자료들은 연구팀으로 하여금 그 내부에 대한 탐사를 가능하게 해주었는데, 중심부의 복잡성을 밝혀낸것은 이번이 처음이다.[2]

로우리의 설명은 다음과 같다.
"사상 처음으로 우리는 소행성의 내부가 어떤지에 대해 결정할 수 있었습니다. 

우리는 이토카와가 매우 다양한 구조를 가지고 있다는 것을 볼 수 있고, 이번 발견은 태양계의 암석질 천체에 대한 우리의 이해를 발전시키는데 중요한 한 걸음이라 할 수 있습니다."

 

소행성이나 다른 작은 천체들의 회전은 태양빛에 의해 영향을 받을 수 있다.
야코브스키-오 키프-라드지에프스키-패댁 효과(the Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddack effect, 이하 YORP 효과)로 알려져 있는 이러한 현상은 태양으로부터 흡수된 빛이 열의 형태로 표면으로부터 재복사될 때 발생한다. 

 
소행성의 모양이 매우 불규칙적이면 열은 고르게 복사되지 않고, 이것은 매우 미미하지만 지속적인 회전력을 본체에 가하게 되고, 이로부터 회전율의 변화가 나타난다. [3], [4]

 

로우리의 연구 팀은 이러한 YORP 효과가 이토카와의 회전속도율을 천천히 가속시켜왔음을 측정해냈다.
회전주기의 변화는 매우 미미하여 일년에 0.045초에도 미치지 못한다.
그러나 이러한 결과는 처음에 예상치와는 매우 다른 것이었고, 이 땅콩모양의 소행성에 서로 다른 밀도를 가진 부분이 있다고 가정할 경우에만 설명이 가능한 것이었다.

바로 이로부터 천문학자들은 이 소행성이 매우 다양한 내부 구조를 가지고 있다는 증거를 발견하게 된 것이다.

여태까지 소행성 내부의 속성은 대강의 전반적인 밀도측정치를 이용해서만 추론 가능했다.

 

이토카와의 다양한 내부를 이렇게 들여다볼 수 있음으로 해서 그 조성에 대해 상당부분 추측이 가능하게 되었다.

하나의 가설은 이 소행성이 두 개의 소행성이 충돌로 붙게 되면서 형성되었다는 것이다.

 

로우리가 덧붙이는 설명은 다음과 같다.
"이처럼 동종의 내부구조를 가지지 않는 소행성을 발견하는 것은 광범위한 의미를 가지고 있습니다.
특별히 이중 소행성계의 형성 모델에 대해서 그렇죠.
또한 이를 통해 지구와 소행성의 충돌 위험을 줄이는 작업을 도울 수도 있고, 앞으로 이들 암석질 천체에 방문하는 계획을 세우는데도 도움을 줄 수 있을 것입니다."

소행성의 내부를 탐색하는 새로운 능력은 전진을 향한 중요한 발걸음이며 이들 수수께끼의 천체들의 비밀을 풀어헤치는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

 

아래 사진들은 일본의 하야부사 우주선이 2005년 이 소행성에 근접한 동안 촬영된 것이다.

 

Credit: JAXA

 

 

Credit:  JAXA

 

 

 

Credit:  JAXA

 

 

각주

[1] NTT망원경 뿐 아니라 다음의 망원경들이 이 작업에 참여하여 밝기를 측정해냈다.
: 팔로마 천문대의 60인치 망원경과 5미터 헤일 망원경(미국, 캘리포니아), 테이블 산 천문대(미국, 캘리포니아), 스튜워드 천문대의 60인치 망원경과 90인치 복 망원경(미국 아리조나), 2미터 리버풀 망원경과 아이작 뉴턴 망원경(스페인, 라팔마) 
  
[2] 내부의 밀도는 1입방센티미터당 1.75과 2.85의 차이가 있다는 것이 발견되었다. 
이 두 개의 밀도는 이토카와가 명확하게 다른 두 개 부분으로 이루어졌음을 말해준다.

 

[3] YORP 효과를 단순하게, 대강 유추해보자면, 만약 어떤 천체의 빛이 프로펠러로 작용하기에 충분한만큼 강력하게 빛나게 되면 이 천체는 유사한 효과에 의해 천천히 회전을 시작하게 될 것이다.
  
[4] 로우리와 그의 동료들은 2000 PH5(지금 이 천체는 54509 YORP로 알려져 있다.)라고 알려져 있는 작은 소행성의 움직임에 미치는 이 효과를 처음으로 관측한바 있다. 
ESO의 관측 장비들은 당시의 연구에 있어서도 중요한 역할을 수행했다.

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 2월 5일자 
          http://www.eso.org/public/news/eso1405/

 

참고 : 소행성 이토카와를 비롯한 태양계의 다양한 작은 천체에 대한 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>

The Anatomy of an Asteroid

 

5 February 2014

ESO’s New Technology Telescope (NTT) has been used to find the first evidence that asteroids can have a highly varied internal structure. By making exquisitely precise measurements astronomers have found that different parts of the asteroid Itokawa have different densities. As well as revealing secrets about the asteroid’s formation, finding out what lies below the surface of asteroids may also shed light on what happens when bodies collide in the Solar System, and provide clues about how planets form.

 

Using very precise ground-based observations, Stephen Lowry (University of Kent, UK) and colleagues have measured the speed at which the near-Earth asteroid (25143) Itokawa spins and how that spin rate is changing over time. They have combined these delicate observations with new theoretical work on how asteroids radiate heat.

 

This small asteroid is an intriguing subject as it has a strange peanut shape, as revealed by the Japanese spacecraft Hayabusa in 2005. To probe its internal structure, Lowry’s team used images gathered from 2001 to 2013, by ESO’s New Technology Telescope (NTT) at the La Silla Observatory in Chile among others [1], to measure its brightness variation as it rotates. This timing data was then used to deduce the asteroid’s spin period very accurately and determine how it is changing over time. When combined with knowledge of the asteroid’s shape this allowed them to explore its interior — revealing the complexity within its core for the first time [2].

 

“This is the first time we have ever been able to to determine what it is like inside an asteroid,” explains Lowry. “We can see that Itokawa has a highly varied structure — this finding is a significant step forward in our understanding of rocky bodies in the Solar System.”

 

The spin of an asteroid and other small bodies in space can be affected by sunlight. This phenomenon, known as the Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddack (YORP) effect, occurs when absorbed light from the Sun is re-emitted from the surface of the object in the form of heat. When the shape of the asteroid is very irregular the heat is not radiated evenly and this creates a tiny, but continuous, torque on the body and changes its spin rate [3], [4].

 

Lowry’s team measured that the YORP effect was slowly accelerating the rate at which Itokawa spins. The change in rotation period is tiny — a mere 0.045 seconds per year. But this was very different from what was expected and can only be explained if the two parts of the asteroid’s peanut shape have different densities.

 

This is the first time that astronomers have found evidence for the highly varied internal structure of asteroids. Up until now, the properties of asteroid interiors could only be inferred using rough overall density measurements. This rare glimpse into the diverse innards of Itokawa has led to much speculation regarding its formation. one possibility is that it formed from the two components of a double asteroid after they bumped together and merged.

 

Lowry added, “Finding that asteroids don’t have homogeneous interiors has far-reaching implications, particularly for models of binary asteroid formation. It could also help with work on reducing the danger of asteroid collisions with Earth, or with plans for future trips to these rocky bodies.”

 

This new ability to probe the interior of an asteroid is a significant step forward, and may help to unlock many secrets of these mysterious objects.

 

Notes

 

[1] As well as the NTT, brightness measurements from the following telescopes were also used in this work: Palomar Observatory 60-inch Telescope (California, USA), Table Mountain Observatory (California, USA), Steward Observatory 60-inch Telescope (Arizona, USA), Steward Observatory 90-inch Bok Telescope (Arizona, USA), 2-metre Liverpool Telescope (La Palma, Spain), 2.5-metre Isaac Newton Telescope (La Palma, Spain) and the Palomar Observatory 5-metre Hale Telescope (California, USA).

 

[2] The density of the interior was found to vary from 1.75 to 2.85 grammes per cubic centimetre. The two densities refer to Itokawa’s two distinct parts.

 

[3] As a simple and rough analogy for the YORP effect, if one were to shine an intense enough light beam on a propeller it would slowly start spinning due to a similar effect.

 

[4] Lowry and colleagues were the first to observe the effect in action on a small asteroid known as 2000 PH5 (now known as 54509 YORP, see eso0711). ESO facilities also played a crucial role in this earlier study.

 

More information

 

This research was presented in a paper “The Internal Structure of Asteroid (25143) Itokawa as Revealed by Detection of YORP Spin-up”, by Lowry et al., to appear in the journal Astronomy & Astrophysics.

 

The team is composed of S.C Lowry (Centre for Astrophysics and Planetary Science, School of Physical Sciences (SEPnet), The University of Kent, UK), P.R. Weissman (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, USA [JPL]), S.R. Duddy (Centre for Astrophysics and Planetary Science, School of Physical Sciences (SEPnet), The University of Kent, UK), B.Rozitis (Planetary and Space Sciences, Department of Physical Sciences, The Open University, Milton Keynes, UK), A. Fitzsimmons (Astrophysics Research Centre, University Belfast, Belfast, UK), S.F. Green (Planetary and Space Sciences, Department of Physical Sciences, The Open University, Milton Keynes, UK), M.D. Hicks (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, USA), C. Snodgrass (Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau, Germany), S.D. Wolters (JPL), S.R. Chesley (JPL), J. Pittichová (JPL) and P. van Oers (Isaac Newton Group of Telescopes, Canary Islands, Spain).

 

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

 

Links

 

• Research paper
• Photos of the NTT

 

Contacts

 

Stephen C. Lowry
The University of Kent
Canterbury, United Kingdom
Tel: +44 1227 823584
Email: s.c.lowry@kent.ac.uk

 

Richard Hook
ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org

 

Katie Scoggins
Press Officer, Corporate Communications Office, University of Kent
Canterbury, United Kingdom
Tel: +44 1227 823581
Email: K.Scoggins@kent.ac.uk