화성의 고대 바다를 측량하다.

 

Credit:ESO/M. Kornmesser

 

그림1> 이 상상화는 40억년 전 화성의 모습이 어땠을지를 상상해본 것이다.

화성에는 한 때 화성 전체 표면을 140미터 깊이로 덮어버리기에 충분한 물을 가지고 있었을 것으로 생각된다.
물론 이 물들은 특정 지역에 고여 바다를 형성했는데, 그 예상 위치는 화성 북반구의 거의 반에 육박하는 지역이며 이곳에서 특정 지역의 수심은 1.6킬로미터 이상에 이르렀을 것으로 추측된다.

 

화성 : 대서양에 상응하는 바다를 잃어버린 행성

 

2015년 3월 5일 발표된 연구에 따르면, 화성의 원시바다는 지구의 북극해보다 더 많은 물을 가지고 있었으며 대서양보다 더 넓은 부분을 덮고 있었다고 한다.

이러한 연구결과는 국제 연구팀이 W.M.켁 천문대의 장비 및 NASA 적외선 망원경 설비와 함께 ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 사용하여 화성의 대기를 모니터링하고 6년 간에 걸쳐 화성 대기의 다양한 부분에 나타나는 수증기의 속성을 지도로 그려낸 결과이다.

이 새로운 지도는 이런 종류의 연구에 있어서는 처음으로 이뤄진 것이다.

이번 연구 결과는 2015년 3월 5일자 사이언스 온라인 판에 개재되었다.

 

약 40억년 전, 태어난지 얼마 되지 않은 화성은 행성 전역을 140미터 깊이로 뒤덮을 수 있을만큼 충분한 물을 가지고 있었을 것이다.
물론 이 물들은 특정 지역에 고여 바다를 형성했는데, 그 예상 위치는 화성 북반구의 거의 반에 육박하는 지역이며 이곳에서 특정 지역의 수심은 1.6킬로미터 이상에 이르렀을 것으로 추측된다.

 

이번 논문의 주저자이자 NASA 고다드 우주비행센터에 근무 중인 과학자 제로니모 빌레누에바(Geronimo Villanueva)의 설명은 다음과 같다.
"우리의 연구는 화성이 한때 얼마나 많은 물을 가지고 있었는지에 대한 확실한 측정치를 제공하고 있습니다.
이는 얼마나 많은 물을 우주 공간으로 잃어버렸는지를 결정함으로서 측정된 수치죠.
이번 작업을 통해 우리는 화성에서의 물의 역사에 대해 좀더 많은 이해를 할 수 있게 되었습니다."

 

새로운 측정치는 화성 대기상에서 미묘하게 차이를 보이는 두 개의 서로 다른 물의 형태를 세밀하게 관측함으로서 획득된 것이다.

 

첫 번째 형태는 수소원자 두 개에 산소원자 하나, 즉 우리에게 친숙한 형태인 H2O의 분자구조를 갖춘 물이다.

또 다른 하나는 HDO 준중수라는 것인데 이는 수소 원자 하나가 듀테륨이라 불리는 좀더 무거운 수소로 대체되면서 자연적으로 발생하는 변이 형태이다.

 

HDO는 중수소로 인해 일반적인 물보다 무거워지기 때문에 증발을 통해 우주 공간으로 망실되기가 쉽지 않게 된다.

따라서 행성에서 망실되는 물이 많아질수록 H2O에 대한 HDO의 비율이 더 높은 물이 남게 된다[1].

 

과학자들은 하와이 W.M.켁 천문대의 장비 및 NASA 적외선 망원경 설비와 함께 ESO의 VLT를 이용하여 이 두 개 유형의 물에 대한 화학적 신호를 구분해냈다[2].

H2O에 대한 HDO의 비율을 비교함으로써, 과학자들은 HDO의 비율이 얼마나 많이 증가되어 왔는지를 측정할 수 있고 이로써 얼마나 많은 물이 우주공간으로 망실되었는지를 결정할 수 있게 되는 것이다.

이로서 화성 초기에 존재했던 물의 양이 측정되었다.

 

이번 연구에서 연구팀은 6년 이상에 걸쳐 - 이는 화성의 햇수로는 3년에 해당한다 - 매해마다의 H20와 HDO의 분포 지도 및 비율을 그려냈다.

이렇게 제작된 지도는 오늘날의 화성이 본질적으로는 사막에 지나지 않음에도 불구하고 계절적이고 국부적인 변화가 존재함을 알려주었다.

 

이번 논문의 공동저자이자 이번 연구에서 사용된 장비 중 하나의 제작 책임을 맡은 바 있는 ESO 울리 코이플(Ulli Kaeufl)의 소감은 다음과 같다.
"저는 천체 망원경을 이용하여 다른 행성을 탐사해내는 이 대단한 능력에 또다시 압도되지 않을 수 없었습니다.
우리는 이번에 1억 킬로미터도 더 떨어진 곳에 고대 바다를 발견한 것이랍니다."
 

연구팀은 특히 남극과 북극 지역에 관심을 가지고 있다.
왜냐하면 극관은 가장 거대한 물 저장고로 알려져 있기 때문이다.

 

극관에 저장되어 있는 물은 대략 37억년 전에 종말을 고한 화성판 노아시대로부터 화성에 존재하는 물의 변화양상을 담은 유물로 생각되고 있다.

 

이번 연구 결과는 화성 극지역 근처 대기상에 존재하는 물에는 HDO가 지구의 바다보다 7배 더 많이 존재하고 있음을 보여주었으며 이는 화성 극관에 영구적으로 포함되어 있는 물에는 8배 이상 많은 HDO를 가지고 있다는 의미이다.

이처럼 높은 수준의 HDO가 존재하기 위해서는 화성이 읽어버린 물의 양은 현재 극관보다 6.5배 이상이어야 한다.

따라서 초기 화성의 바다는 최소한 2천만 입방킬로미터 이상이어야 한다.

 

오늘날 화성 표면을 근거로 봤을 때, 이 물들이 고여있었을 지역은 북반구 평원들로서 이곳은 낮은 고도로 인해 오랫동안 물들이 고여있을만한 지역으로 고려되었던 곳이다.

화성의 고대 바다는 화성 표면의 19%를 덮고 있었을 것으로 추측되는데, 지구의 경우 대서양이 지구 표면의 17%를 덮고 있다.

 

Credit:ESO/M. Kornmesser/N. Risinger (skysurvey.org)

 

그림2> 40억년 전 화성의 바다에 대한 상상화

 

논문의 제 2 저자이자 고다드 우주비행센터 수석 과학자인 마이클 무마(Michael Mumma)의 소감은 다음과 같다.
"화성이 엄청난 양의 물을 잃었다는 상황으로서 보건대, 화성은 우리가 생각했던 것보다도 훨씬 더 오랫동안 물을 보유하고 있었고, 따라서 더 오랫동안 생명체가 살 수 있을만한 환경이었음을 추정할 수 있습니다."
 

화성이 엄청난 물을 한 때 보유하고 있었을 가능성이 있고, 이들 중 일부가 화성 지표 밑에 여전히 저장되어 있을 지도 모른다.

이번에 제작된 새로운 지도가 오랜 시간 동안 대기에 포함된 수증기의 국지적인 변이와 변화 양상을 밝혀주었기 때문에 이 자료는 지하에 존재하는 물을 찾아내는데 유용한 자료로 판명될 수도 있을 것이다.

 

 

 

 

Credit:ESO/M. Kornmesser

                                        

각주

[1] 지구의 경우 H20분자 3200개당 HDO분자가 하나 존재한다.

 

[2] 비록 화성 지표를 탐사중인 탐사로봇이나 화성궤도를 공전중인 탐사선들이 측정치로서는 훨씬 더 상세한 정보를 제공해 줄 수 있지만 이들은 화성 전체 대기의 속성을 모니터링하기에는 적합하지 않다. 
이 작업은 지구의 거대 망원경을 활용한 적외선 분광기를 활용했을 때 최상의 성과를 낼 수 있다.

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 3월 5일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1509/

 

참고 : 다양한 화성 풍경 등, 화성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346937

 

 

원문>

eso1509 — Science Release

Mars: The Planet that Lost an Ocean’s Worth of Water

5 March 2015

 

A primitive ocean on Mars held more water than Earth’s Arctic Ocean, and covered a greater portion of the planet’s surface than the Atlantic Ocean does on Earth, according to new results published today. An international team of scientists used ESO’s Very Large Telescope, along with instruments at the W. M. Keck Observatory and the NASA Infrared Telescope Facility, to monitor the atmosphere of the planet and map out the properties of the water in different parts of Mars’s atmosphere over a six-year period. These new maps are the first of their kind. The results appear online in the journal Science today.

About four billion years ago, the young planet would have had enough water to cover its entire surface in a liquid layer about 140 metres deep, but it is more likely that the liquid would have pooled to form an ocean occupying almost half of Mars’s northern hemisphere, and in some regions reaching depths greater than 1.6 kilometres.

“Our study provides a solid estimate of how much water Mars once had, by determining how much water was lost to space,” said Geronimo Villanueva, a scientist working at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, USA, and lead author of the new paper. “With this work, we can better understand the history of water on Mars.” 

The new estimate is based on detailed observations of two slightly different forms of water in Mars’s atmosphere. one is the familiar form of water, made with two hydrogen atoms and one oxygen, H₂O. The other is HDO, or semi-heavy water, a naturally occurring variation in which one hydrogen atom is replaced by a heavier form, called deuterium.

As the deuterated form is heavier than normal water, it is less easily lost into space through evaporation. So, the greater the water loss from the planet, the greater the ratio of HDO to H₂O in the water that remains [1].

The researchers distinguished the chemical signatures of the two types of water using ESO’s Very Large Telescope in Chile, along with instruments at the W. M. Keck Observatory and the NASA Infrared Telescope Facility in Hawaii [2]. By comparing the ratio of HDO to H₂O, scientists can measure by how much the fraction of HDO has increased and thus determine how much water has escaped into space. This in turn allows the amount of water on Mars at earlier times to be estimated. 

In the study, the team mapped the distribution of H₂O and HDO repeatedly over nearly six Earth years — equal to about three Mars years — producing global snapshots of each, as well as their ratio. The maps reveal seasonal changes and microclimates, even though modern Mars is essentially a desert.

Ulli Kaeufl of ESO, who was responsible for building one of the instruments used in this study and is a co-author of the new paper, adds: "I am again overwhelmed by how much power there is in remote sensing on other planets using astronomical telescopes: we found an ancient ocean more than 100 million kilometres away!" 

The team was especially interested in regions near the north and south poles, because the polar ice caps are the planet’s largest known reservoir of water. The water stored there is thought to document the evolution of Mars’s water from the wet Noachian period, which ended about 3.7 billion years ago, to the present. 

The new results show that atmospheric water in the near-polar region was enriched in HDO by a factor of seven relative to Earth’s ocean water, implying that water in Mars’s permanent ice caps is enriched eight-fold. Mars must have lost a volume of water 6.5 times larger than the present polar caps to provide such a high level of enrichment. The volume of Mars’s early ocean must have been at least 20 million cubic kilometres.

Based on the surface of Mars today, a likely location for this water would be the Northern Plains, which have long been considered a good candidate because of their low-lying ground. An ancient ocean there would have covered 19% of the planet’s surface — by comparison, the Atlantic Ocean occupies 17% of the Earth’s surface.

“With Mars losing that much water, the planet was very likely wet for a longer period of time than previously thought, suggesting the planet might have been habitable for longer,” said Michael Mumma, a senior scientist at Goddard and the second author on the paper.

It is possible that Mars once had even more water, some of which may have been deposited below the surface. Because the new maps reveal microclimates and changes in the atmospheric water content over time, they may also prove to be useful in the continuing search for underground water.

Notes

[1] In oceans on Earth there are about 3200 molecules of H₂O for each HDO molecule.

[2] Although probes on the Martian surface and orbiting the planet can provide much more detailed in situ measurements, they are not suitable for monitoring the properties of the whole Martian atmosphere. This is best done using infrared spectrographs on large telescopes back on Earth.

More information

This research was presented in a paper entitled “Strong water isotopic anomalies in the Martian atmosphere: probing current and ancient reservoirs”, by G. VIllanueva et al., to appear online in Science on 5 March 2015.

The team is composed of G.L. Villanueva (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA; Catholic University of America, Washington, D.C., USA), M.J. Mumma (NASA Goddard Space Flight Center), R.E. Novak (Iona College, New York, USA), H.U. Käufl (ESO, Garching, Germany), P. Hartogh (Max Planck Institute for Solar System Research, Göttingen, Germany), T. Encrenaz (CNRS — Observatoire de Paris-Meudon, Paris, France), A. Tokunaga (University of Hawaii-Manoa, Hawaii, USA), A. Khayat (University of Hawaii-Manoa) and M. D. Smith (NASA Goddard Space Flight Center).

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 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. 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 a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Four programmes at NASA Headquarters in Washington, D.C., supported this work: Mars Fundamental Research, Planetary Astronomy, Planetary Atmospheres, and NASA Astrobiology.

Links

• Photos of the ESO Very Large Telescope

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Greenbelt MD, USA
Email: Michael.J.Mumma@nasa.gov

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