NASA의 우주선들이 잡아낸 토성 오로라의 360도 영상

동영상 출처 : http://www.youtube.com/watch?v=RE2EnQaOydU

 

 

NASA의 우주선들이 잡아낸 토성 오로라의 360도 영상

NASA는 토성이 극지방에서 춤추는 불빛이 발생할 때마다 토성을 바라보는 일련의 눈들을 훈련해왔다.

지구 주위를 돌고 있는 NASA의 허블우주망원경이 자외선 파장으로 북반구의 오로라를 관측할 수 있었으며, 토성 주위를 돌고 있는 NASA의 카시니호는 적외선과 가시광선 자외선 대역에서 이를 보완하는 확대 사진을 촬영하였다.

카시니호는 또한 지구쪽을 향하지 않아 지구에서는 볼 수 없는 토성의 북반구 또는 남반구를 볼 수 있었다.

 

그 결과, 이 오로라가 어떻게 움직이는지에 대한 세부적인 모습을 단계별로 볼 수 있었으며, 이 오로라들의 복잡성과 함께 태양으로부터 발생한 폭발이 토성의 자기장 환경에 만들어내는 영향을 연관지을 수 있게 해주었다.

 

이번 연구를 이끈 영국 레스터 대학의 조나탄 니콜(Jonathan Nichols)의 설명은 다음과 같다.
"토성 오로라는 무척 변덕스러워서, 그 불꽃을 볼 수도 있고, 아무것도 보지 못할 수도 있습니다.
2013년에 우리는 토성의 극지에서 어마어마한 속도의 폭발을 만들어내며 지속적으로 고리모양의 빛을 쏟아내는, 이 춤추는 오로라에 대한 진정한 총체적인 모습을 다룰 수 있었습니다."

허블 우주망원경과 카시니호는 2013년 4월과 5월에 이 사진을 찍기 위해 초점을 맞추었다.

 

토성반경 6배에 해당하는 가까운 거리에서 카시니호의 자외선 화상 분광측정기(ultraviolet imaging spectrometer, 이하 UVIS)로부터 촬영된 사진은 수백 킬로미터의 스케일로 희미한 복사가 변화하는 패턴과 이러한 변화와 관련하여 태양으로부터 불어온 대전 입자들의 바람이 오로라 내에서 요동치는 모습과 토성을 통과하여 흘러나가는 모습을 보여주고 있다. 

 

 

Additional Image Credit: NASA/ESA/University of Leicester and NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Lancaster University Credit: NASA/JPL-Caltech/University of Colorado/Central Arizona College

 

사진 1> NASA의 카시니호와 허블우주망원경이 바라본 자외선과 적외선 사진은 토성 북극과 남극에서 발생한 활동적인 오로라와 잠잠한 오로라의 모습을 보여주고 있다.

토성의 오로라는 이온화된 전자들이 이 행성의 대기로 침투하여 수소 분자들과 충돌하면서 발생한다.

때때로 주로 전자와 광자로 구성된 빠른 속도의 태양풍이 2013년 4월 5일과 5월 20일에 발생한 것과 같은 활동적인 토성 오로라를 만들어낸다. 

 

카시니 협력 연구원인 아리조나 중앙 대학의 웨인 프라이어(Wayne Pryor)의 설명은 다음과 같다.

"이번 사진은 지금까지 우리가 보지 못한 오로라 복사의 빠른 변화 패턴에 대한 최상의 사진입니다.
몇몇 밝은 점들은 이 장면, 저 장면으로 옮겨다니는 모습을 보여주고 있죠.
또다른 밝은 구조물들은 지속적으로 유지되는 한편 극지점 주위를 계속 회전하고 있습니다. 그러나 이 회전은 토성의 자전보다는 느린 속도로 움직이고 있죠."

벨기에 리에주 대학의 협력팀 에카테리니 라디오티(Aikaterini Radioti)에 의해 분석된 UVIS의 사진들은 또한 토성의 밝은 오로라폭풍이 자기장이 도열한 선들간에 새로운 연결이 발생할 때 만들어진다는 점을 알려주고 있다.

이러한 과정은 지구를 둘러싼 자기장 거품 내에서도 폭풍을 발생시키는 원인이 된다.

 

이 동영상은 또한 회전하고 있는 오로라에서 지속적으로 빛을 내는 하나의 특정 대역이 토성의 달인 미마스가 공전하고 있는 위치와 일치하는 모습을 보여주고 있다. 

이전에 UVIS로 촬영된 사진들에서는 오로라에서 발생하는 간헐적인 밝은 점들이 토성의 위성인 엔켈라두스와 자기적 연관성이 있는 것을 보여준바 있는데, 이번 새로운 동영상은 또다른 토성의 위성도 이 빛에 영향을 끼치고 있다는 점을 보여주고 있는 것이다.

 

이번 새로운 데이터는 또한 이 거대한 가스 행성의 대기에 대해 과학자들이 품고 있는 오랜동안의 수수께끼에 대해서도 단서를 제공해주고 있다.

 

영국랭카스터 대학의 카시니 가시광선 및 적외선 매핑 분광분석 팀 사라 배드맨(Sarah Badman)의 설명은 다음과 같다.
"과학자들은 토성이나 다른 거대 가스행성들의 상층 대기가 태양으로부터 떨어져 있는 거리를 고려해봤을 때 일반적으로 예측할 수 있는 수준을 넘어선 높은 온도를 보여주고 있는 것을 항상 의아하게 생각해왔습니다.
서로 다른 장비가 촬영한 이 일련의 사진들을 관찰함으로써 우리는 어디에서 입자들이 침투하면서 오로라가 대기를 가열시키고 있는지 그리고 이러한 가열과정이 얼마나 오랫동안 지속되는지를 알게 되었습니다."

 

가시광선 데이터는 과학자들로하여금 토성 오로라의 색깔을 알아낼 수 있게 해주었다.

 

캘리포니아 기술연구소의 화상사진팀 율리아나 듀다이나(Ulyana Dyudina)는 지구에서 볼 수 있는 오로라 벽의 경우 아랫쪽으로 초록색으로, 위쪽은 붉은 색으로 나타남에 반해 카시니호가 촬영한 사진에서 토성의 오로라 벽에서는 아랫쪽이 붉은 색으로 그리고 위쪽이 보라색으로 나타난다는 사실을 보여주고 있다고 말했다.

 

이러한 색깔의 차이는 지구의 오로라가 주로 질소와 산소분자의 전리에 의해 발생하는 반면, 토성의 경우는 수소분자의 전리가 대종을 이루기 때문이다.

 

듀다이나의 설명은 다음과 같다.
"수소의 경우 전자를 획득할 때 붉은 빛을 복사해 내기 때문에 토성의 오로라에서는 붉은 빛이 나타날 것이라 기대할 수 있지만, 우리는 또한 이러한 색체의 변이가 대전입자들의 에너지가 대기에 가하는 충격과 대기 자체의 밀도에 기인한다는 것도 알고 있습니다.
우리는 다른 사람들이 이전에 보지 못했던 이러한 색깔들을 알아가는 것에 매우 흥분되어 있습니다."

 

Credit: NASA/JPL-Caltech/SSI

 

 사진 2> 지구에서 커튼과 같은 모양의 오로라를 바라보면 아래쪽은 초록색, 그리고 위쪽은 붉은 색의 오로라가 보이는 반면 NASA의 카시니호가 우리에게 보여주는 유사한 형태의 토성 오로라는 아래쪽으로는 붉은 색, 위쪽으로는 보라색을 보여주고 있다.

이 사진은 토성의 오로라가 인간의 눈에 어떻게 보일지를 알려주고 있는 사진이다.

이러한 색체의 차이는 지구의 오로라가 주로 질소와 산소의 이온화로부터 발생하는데 반해 토성의 경우는 수소의 이온화가 우세하게 나타나기 때문이다.

색깔의 차이는 이러한 원소의 차이와 함께 대기의 밀도, 원소들이 원자로 존재하는지 분자로 존재하는지에 대한 정도, 그리고 전위차에 의해서도 발생할 수 있다.

오로라의 이 특정 부분이 위치하는 높이는 1,400킬로미터이다.

이 사진은 카시니호가 2010년 11월 29일 특별하게 밝게 빛나는 오로라를 촬영한 것이다.

배경으로는 우주선의 움직임으로 인해 청명한 하늘에 나타난 별의 궤적이 담겨있다.

색채는 붉은색과 초록색, 파란색 필터의 측정치로부터 유추된 것이다.

 

과학자들은 카시니호가 추가적인 작업을 통해 대전 입자구름이 어떻게 토성을 순환하는지, 그리고 태양폭발로부터 발생한 물질을 어떻게 받아들이는지에 대한 연구에 서광을 비춰주기를 바라고 있다.

 

NASA 제트추진 연구소의 카시니 필드 및 입자 과학자이며 이번 관측에 조정역을 수행한  마르스아 버톤(Marcia Burton)의 의견은 다음과 같다.
"토성의 오로라는 NASA의 파파라치와 같은 관찰에서 결코 벗어날 수 없는,  행성에서 가장 매력적인 구조물에 속합니다.

우리가 11년 태양 주기의 한 부분을 지나고 있고, 태양은 더 많은 플라스마 거품들을 내보내고 있습니다. 

우리는 태양활동의 효과와 토성계의 내부적인 역학관계간의 차이를 알아내게 되기를 희망하고 있습니다."

 

아직 할 일이 더 남아 있다.

 

레스터 대학의 톰 스텔라드(Tom Stallard)가 이끄는 일단의 과학자들은 동일 시점에 하와이에 위치한 W.M.켁 천문대와 NASA의 적외선 망원경 설비를 통해 촬영한 보강 데이터를 분석하느라 바쁜 나날을 보내고 있다.

 

분석 결과는 과학자들로 하여금 입자들이 어떻게 토성 상층 대기를 이온화시키는지를 이해하는데 도움을 줄 것이며 지상에 위치한 망원경의 경우 지구 대기의 영향으로 발생한 방해물들도 함께 볼 수 있기 때문에 십여 개의 지상에 위치한 망원경들의 관측 데이터를 올바르게 해석하는데 도움을 줄 것이다.

 

Credit: NASA/SDO/AIA

 

사진 3> 2013년 3월 하순, 태양에 보이는 어두운 지역들(사진 중앙 바로 위쪽과 오른쪽)은 코로나 구멍으로서, 이곳은 태양에서 쏟아져 나오는 빠른 속도의 태양 폭풍의 원천이다.  
이 고속의 플라스마 태양풍이 태양계로 쏟아져나오며 앞서가던 느린 속도의 태양풍을 밀어내면서 고압 지대를 형성하였다.
이 고압 지대가 몇 주 후인 2013년 5월 하순 토성의 자기거품에 충돌하면서 밝게 빛나는 오로라를 연출해 냈다.

이 사진은 2013년 3월 28일 NASA의 태양활동관측위성이 촬영한 사진을 조합하여 만들어진 것이다.

 

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2014년 2월 11일 News Release
         http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=46452                    
         

참고 : 다양한 토성의 풍경 등, 토성과 토성의 여러 달에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346948

 

 

원문>

NASA Spacecraft Get a 360-Degree View of Saturn's Auroras

11 Feb 2014

 

(Source: NASA/JPL)

NASA trained several pairs of eyes on Saturn as the planet put on a dancing light show at its poles. While NASA's Hubble Space Telescope, orbiting around Earth, was able to observe the northern auroras in ultraviolet wavelengths, NASA's Cassini spacecraft, orbiting around Saturn, got complementary close-up views in infrared, visible-light and ultraviolet wavelengths. Cassini could also see northern and southern parts of Saturn that don't face Earth.

The result is a kind of step-by-step choreography detailing how the auroras move, showing the complexity of these auroras and how scientists can connect an outburst from the sun and its effect on the magnetic environment at Saturn. A new video showing aurora images from Hubble and Cassini is available at:

"Saturn's auroras can be fickle -- you may see fireworks, you may see nothing," said Jonathan Nichols of the University of Leicester in England, who led the work on the Hubble images. "In 2013, we were treated to a veritable smorgasbord of dancing auroras, from steadily shining rings to super-fast bursts of light shooting across the pole."

The Hubble and Cassini images were focused on April and May of 2013. Images from Cassini's ultraviolet imaging spectrometer (UVIS), obtained from an unusually close range of about six Saturn radii, provided a look at the changing patterns of faint emissions on scales of a few hundred miles (kilometers) and tied the changes in the auroras to the fluctuating wind of charged particles blowing off the sun and flowing past Saturn.

"This is our best look yet at the rapidly changing patterns of auroral emission," said Wayne Pryor, a Cassini co-investigator at Central Arizona College in Coolidge, Ariz. "Some bright spots come and go from image to image. Other bright features persist and rotate around the pole, but at a rate slower than Saturn's rotation."

The UVIS images, which are also being analyzed by team associate Aikaterini Radioti at the University of Liege, Belgium, also suggest that one way the bright auroral storms may be produced is by the formation of new connections between magnetic field lines. That process causes storms in the magnetic bubble around Earth. The movie also shows one persistent bright patch of the aurora rotating in lockstep with the orbital position of Saturn's moon Mimas. While previous UVIS images had shown an intermittent auroral bright spot magnetically linked to the moon Enceladus, the new movie suggests another Saturn moon can influence the light show as well.

The new data also give scientists clues to a long-standing mystery about the atmospheres of giant outer planets.

"Scientists have wondered why the high atmospheres of Saturn and other gas giants are heated far beyond what might normally be expected by their distance from the sun," said Sarah Badman, a Cassini visual and infrared mapping spectrometer team associate at Lancaster University, England. "By looking at these long sequences of images taken by different instruments, we can discover where the aurora heats the atmosphere as the particles dive into it and how long the cooking occurs."

The visible-light data have helped scientists figure out the colors of Saturn's auroras. While the curtain-like auroras we see at Earth are green at the bottom and red at the top, Cassini's imaging cameras have shown us similar curtain-like auroras at Saturn that are red at the bottom and purple at the top, said Ulyana Dyudina, an imaging team associate at the California Institute of Technology, Pasadena, Calif.

The color difference occurs because Earth's auroras are dominated by excited nitrogen and oxygen molecules, and Saturn's auroras are dominated by excited hydrogen molecules.

"While we expected to see some red in Saturn's aurora because hydrogen emits some red light when it gets excited, we also knew there could be color variations depending on the energies of the charged particles bombarding the atmosphere and the density of the atmosphere," Dyudina said. "We were thrilled to learn about this colorful display that no one had seen before."

Scientists hope additional Cassini work will illuminate how clouds of charged particles move around the planet as it spins and receives blasts of solar material from the sun.

"The auroras at Saturn are some of the planet's most glamorous features - and there was no escaping NASA's paparazzi-like attention", said Marcia Burton, a Cassini fields and particles scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., who is helping to coordinate these observations. "As we move into the part of the 11-year solar cycle where the sun is sending out more blobs of plasma, we hope to sort out the differences between the effects of solar activity and the internal dynamics of the Saturn system."

There is still more work to do. A group of scientists led by Tom Stallard at the University of Leicester is busy analyzing complementary data taken during the same time window by two ground-based telescopes in Hawaii -- the W.M. Keck Observatory and NASA's Infrared Telescope Facility. The results will help them understand how particles are ionized in Saturn's upper atmosphere and will help them put a decade of ground-based telescope observations of Saturn in perspective, because they can see what disturbance in the data comes from Earth's atmosphere.

The Cassini-Huygens mission is a cooperative project of NASA, the European Space Agency and the Italian Space Agency. JPL, a division of the California Institute of Technology, Pasadena, manages the mission for NASA's Science Mission Directorate in Washington. More information about Cassini is available at: http://www.nasa.gov/cassini and http://saturn.jpl.nasa.gov.

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Jia-Rui Cook 818-354-0850
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
jccook@jpl.nasa.gov

2014-044