한쪽으로 쏠린 양상을 보여주는 타이탄 대기의 유기분자들

 

Credit: NRAO/AUI/NSF; M. Cordiner (NASA) et al.

 

사진 1> ALMA가 촬영한 이 사진은 토성의 위성 타이탄의 상층대기에 존재하는 유기분자 시안화수소의 분포를 보여주고 있다.

좀더 고밀도로 더 밝게 보이는 집중 양상이 타이탄의 북극과 남극 근처에서 보인다.
이러한 밀집부가 극축을 벗어난 위치를 보이는 것은 전혀 예상치 못한 일이었다.  
이번 발견은 과학자들로 하여금 타이탄의 복잡한 대기 프로세스를 보다 더 잘 이해하는데 도움을 줄 것이다.
구체의 외곽선은 관측 당시 타이탄의 방향을 표시하고 있다.

 

Credit: NRAO/AUI/NSF; M. Cordiner (NASA) et al.

 

사진2, 3> ALMA가 촬영한 이 사진은 각각 토성의 위성 타이탄의 상층대기(왼쪽)와 중간 층 이하 대기(오른쪽)에 존재하는 유기분자 시아노아세틸렌의 분포를 보여주고 있다.

오른쪽 사진에서는 밝게 보이는 고밀도의 집중지역이 상층대기에서 관측된 것보다 양극점에 대해 보다 균일하게 분포하고 있는 모습을 볼 수 있다.
 

흥미롭게도 한쪽으로 쏠린 양상을 보여주는 타이탄 대기의 유기분자들

 

토성의 위성인 타이탄의 대기를 연구하는 동안 과학자들이 북극과 남극에서 예상치 않게 한쪽으로 쏠린 유기분자의 흥미로운 지역을 발견했다.

이러한 양상은 이와같은 비축 집중 양상을 빠르게 제거할 거라는 타이탄의 폭풍가득한 대기에 대한 전통적인 생각을 거부하는 듯 보인다.

 

오늘 아스트로피지컬 저널 온라인판에 개재된 논문의 주저자인 NASA 고다드 우주비행센터의 천체화학자 마틴 코디너(Martin Cordiner)의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견은 전혀 예상치 못한 것이었고, 기존의 고정관념을 깰만한 발견이라 할 수 있습니다.
이처럼 동쪽에서 서쪽으로 치우친 변이 양상은 티이탄의 대기 가스에서는 일체 발견된 바 없었죠.
이들의 기원에 대한 설명과제가 흥미로운 새로운 문제와 함께 우리에게 부여되었죠."

 

아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, 이하 ALMA)을 이용한 3분간의 짧은 스냅샷에서 발견된 이 장면은 천문학자들로하여금 타이탄의 복잡한 화학 과정을 보다 잘 이해할 수 있도록 도움을 줄 것으로 보인다.

 

타이탄의 대기는 태양과 토성의 자기장으로부터 발생한 에너지를 이용하여 광범위한 유기분자들을 만들어내는 화학공장처럼 작용하기 때문에 오래전부터 관심을 끌어왔다.

이들 복잡한 화학적 양상을 연구함으로써, 오늘날 타이탄 대기의 화학적 특성을 유사하게 갖추고 있었을 생성 초기 지구의 대기속성에 대한 통찰을 얻게 될 지도 모른다.

 

과학자들은 ALMA의 극도의 감도와 해상도를 이용하여 타이탄 대기상의 시안화수소(HNC)와 시아노아세틸렌(HC3N)의 분포양상을 추적하였다.
이들은 애초부터 타이탄의 북극과 남극 상공에서도 집중된 양상을 보이고 있었다.

이러한 발견은 NASA의 카시니호 가 수행한 관측 결과와도 일치하는 것이다.
카시니호가 발견한 양 극에서의 고도의 가스집중 양상은 타이탄의 겨울에 관측된 바 있다.

 

이번 발견에서 특이한 점은 과학자들이 각 고도 층위에 따른 가스의 집중양상을 비교하는 과정에서 도출되었다.
가장 높은 고도에서 이 유기분자 덩어리는 극지점으로부터 멀리 이동한 양상을 보이고 있었다.

 

이처럼 극축을 벗어나고 있는 집중양상은 전혀 예상치 못한 것이다.
왜냐하명 동쪽에서 서쪽으로 빠르게 움직이는 타이탄 중간층 대기의 바람이 이곳에서 형성되는 분자들을 골고루 섞어놓을 것이기 때문이었다.
과학자들은 아직 왜 이러한 현상이 생기는지를 명확하게 설명하지 못하고 있다.

 

이번 논문의 공동저자이자 NASA 고다드 우주비행센터의 행성과학자인 코너 닉슨(Conor Nixon)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 관측된 분자들 속에서 덩어리를 확장시킬 수 있을만큼 충분한 시간만큼 화학적 메커니즘이 작용할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일처럼 보입니다.
우리는 타이탄의 바람에 의해 이 덩어리 주변으로 분자들이 빠르게 섞여들것이라고 예측할 수 있을 듯 합니다."

 

한때 과학자들은 이처럼 한쪽으로 쏠린 분자의 집중양상을 가능케한 원인으로서, 타이탄을 완전히 감싸안을 만큼 넓게 퍼져 있으며 토성의 강력한 자기장과 상호작용하는 상승 온난기류나 그 밖의 효과들을 고려했었다.
코디너는 어떤 가능성이든 간에 이처럼 독특한 대기 순환 패턴을 만들어내는 가설을 배제할 수 있다고 생각하지는 않는다고 말했다.

 

이번 관측은 태양계 주요 천체의 대기에 대한 관측을 ALMA로서는 처음으로 시도한 것이다.
타이탄의 대기와 진행되고 있는 프로세스들에 대한 이해의 개선을 위해 추가관측 및 태양계의 또다른 천체에 대한 관측이 기대되고 있다.

 

타이탄은 어떤 측면에서는 두꺼운 대기와 표면을 장악하고 있는 호수, 강들, 바다들로 인해 지구와 가장 유사한 태양계 천체이기도 하다.
그러나 타이탄의 꽁공 얼어붙은 표면에는 물 대신에 메탄(CH4)이나 에탄(C2H6)을 포함한 액체 유기분자들이 흐르고 있다.

 

이번 논문의 공동저자이자 국립 라디오전파 천문대의 천문학자인 안토니 레미잔(Anthony Remijan)의 소감은 다음과 같다.
"이번 ALMA의 관측은 생명체의 기본 단위가 되는 유기 분자들이 어떻게 형성되고, 행성과 같은 환경에서 어떻게 진화하는지에 대한  통찰을 우리에게 제공해 주었습니다.
ALMA를 이용하여 우리 태양계의 또다른 흥미로운 천체들을 보다 깊이 관측했을 때 우리가 성취하게 될 새로운 발견은 상상만해도 즐거운 일입니다."

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2014년 10월 22일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/organic-molecules-titan

 

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

 

원문>

October 22, 2014

Organic Molecules in Titan's Atmosphere Are Intriguingly Skewed

While studying the atmosphere on Saturn’s moon Titan, scientists discovered intriguing zones of organic molecules unexpectedly shifted away from its north and south poles. These misaligned features seem to defy conventional thinking about Titan’s windy atmosphere, which should quickly smear out such off-axis concentrations.

"This is an unexpected and potentially groundbreaking discovery," said Martin Cordiner, an astrochemist working at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and the lead author of a study published online today in the Astrophysical Journal Letters. "These kinds of east-to-west variations have never been seen before in Titan’s atmospheric gases. Explaining their origin presents us with a fascinating new problem."

This discovery, made during a remarkably brief three-minute "snapshot" observation with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), may help astronomers better understand the processes that shape this world's complex chemistry.

Titan’s atmosphere has long been of interest because it acts as a chemical factory, using energy from the Sun and Saturn’s magnetic field to produce a wide range of organic molecules. Studying this complex chemistry may provide insights into the properties of Earth’s very early atmosphere, which may have shared many chemical characteristics with present-day Titan.

The researchers used ALMA's extreme sensitivity and resolution to track the atmospheric distributions of hydrogen isocyanide (HNC) and cyanoacetylene (HC3N), which initially appeared to be concentrated evenly over Titan's north and south poles. These findings were consistent with observations made by NASA’s Cassini spacecraft, which found high concentrations of some gases over whichever pole is experiencing winter on Titan.

The surprise came when the researchers compared the gas concentrations at different levels in the atmosphere. At the highest altitudes, the pockets of organic molecules were shifted away from the poles. These off-pole concentrations are unexpected because the fast-moving, east-west winds in Titan’s middle atmosphere should thoroughly mix the molecules formed there.

The researchers do not have an obvious explanation for these findings yet.

"It seems incredible that chemical mechanisms could be operating on rapid enough timescales to cause enhanced 'pockets' in the observed molecules," said Conor Nixon, a planetary scientist at Goddard and a coauthor of the paper. "We would expect the molecules to be quickly mixed around the globe by Titan’s winds."

At the moment, the scientists are considering thermal or other effects tied to interaction with Saturn's powerful magnetic field, which extends far enough to engulf Titan, as potential sources of this skewed molecular concentration. "Alternatively, I don't think we could rule out some kind of peculiar atmospheric circulation pattern," speculates Cordiner.

This marks ALMA's first foray into atmospheric studies of a major body in our Solar System. Further observations are expected to improve our understanding of the atmosphere and ongoing processes on Titan and other objects throughout our Solar System.  

Titan is in some ways the most Earthlike body in the Solar System, with a thick atmosphere and prominent lakes, rivers, and seas. In place of water, however, Titan's frigid surface flows with liquid organic molecules, including methane (CH4) and ethane (C2H6).

"These ALMA observations give us new insights into how organic molecules, the building blocks of life, form and evolve in a planet-like environment," said Anthony Remijan, an astronomer at the National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Va., and coauthor on the paper. "It is exciting to imagine the new discoveries ALMA will enable as we look more deeply at other interesting objects in our Solar System."

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The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

NASA’s Astrobiology Program supported this work through a grant to the Goddard Center for Astrobiology, a part of the NASA Astrobiology Institute. 

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded in Europe by the European Southern Observatory (ESO), in North America by the U.S. National Science Foundation (NSF) in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and in East Asia by the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan. ALMA construction and operations are led on behalf of Europe by ESO, on behalf of North America by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), which is managed by Associated Universities, Inc. (AUI) and on behalf of East Asia by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

Contact: Charles E. Blue, Public Information Officer
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