가니메데가 품고 있는 바다에 대한 단서를 관측하다.

 

Illustration Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI) Science Credit: NASA, ESA, and J. Saur (University of Cologne, Germany)

 

그림1> 이 상상화는 목성 주위를 공전하고 있는 가니메데의 모습을 그린 것이다.

허블 우주망원경을 이용한 관측에서 가니메데의 자기장에 의해 통제되고 있는 오로라의 모습이 관측되었다.

이 두 개의 타원형 오로라는 북반구와 남반구 중위도 지역에서 관측되었다.

허블우주망원경은 목성의 거대한 자기장에 의해 미세한 이동현상을 보이는 오로라 띠를 측정한 바 있다.

이러한 현상은 이 위성의 내부 구조를 알 수 있는 단서가 된다.

가니메데 얼음지각 아래에 존재하는 소금물 바다는 오로라 타원체의 이동을 감소시키는 역할을 하는데 이것이 허블 우주망원경에 의해 측정된 것이다.
지구와 마찬가지로 가니메데의 오로라 역시 고에너지 대전 입자들이 가스의 형광현상을 야기시키면서 생성된다.

 

 

가니메데가 품고 있는 바다에 대한 단서를 관측하다.
 

허블우주망원경이 목성의 최대 위성인 가니메데 지하에 소금기가 있는 바다의 존재에 대한 최상의 증거를 찾아냈다.

가니메데 지하의 바다는 지구의 표면을 덮고 있는 양보다 훨씬 더 많을 것을 생각된다.

우리가 아는 한 액체 상태의 물이 존재한다는 것은 지구 이외의 지역에서 생명체가 거주할만한 조건을 가진 지역을 찾는데, 그리고 실제 생명체를 탐사하는데 핵심적인 조건에 해당한다.

 

NASA 과학임무위원회 국장보인 존 그룬스펠드(John Grunsfeld)의 소감은 다음과 같다.
"이번 발견은 허블 우주망원경만이 성취할 수 있는 것이 무엇인가를 조명하는 중요한 이정표를 남긴 것이라 할 수 있습니다.
허블우주망원경은 지구궤도를 공전해온 지난 25년간 태양계에서 수많은 과학적 발견을 이루어냈습니다.
가니메데의 얼음 지각 아래 존재하는 바다를 발견한 것은 외계 생명체 발견이라는 흥미로운 가능성을 보다 크게 열어젖힌 것이라 할 수 있습니다." 
 

가니메데는 태양계에서 가장 거대한 규모를 자랑하는 위성이며 자신만의 자기장을 가지고 있는 유일한 위성이기도 하다.

이 자기장은 가니메데의 북극과 남극 주변 지역에서, 작렬하는 고온의 전도성 가스인 오로라를 만들어내는 원인이 된다.

 

또한 가니메데는 목성에 가까이 위치하고 있기 때문에 목성의 자기장에 파묻혀 있기도 하다.

따라서 목성의 자기장이 바뀔 때, 가니메데의 오로라 역시 앞뒤로 진동하는 변화를 보이게 된다.

 

가니메데의 양극에서 진동하는 오로라의 움직임을 관측하여 과학자들은 가니메데의 지각 아래에서 자기장에 영향을 끼치는 소금물의 양을 결정지을 수 있었다.

 

독일 쾰른 대학의 요아킴 사우어(Joachim Saur)가 이끄는 연구팀은 이 위성의 내부를 좀더 알아보기 위해 허블 우주망원경을 사용해 볼 것을 제안했다.

사우어의 설명은 다음과 같다.
"저는 항상 우리가 망원경을 어떤 다른 방법으로 활용할 수 있을지를 고민해왔습니다.
행성 내부를 망원경으로 볼 수 있는 방법이 없을까? 이에 대한 제 생각은 바로 오로라를 활용하는 것이었습니다.
만약 당신이 오로라를 적절한 방법으로 관측할 수 있다면, 오로라는 자기장에 의해 통제를 받기 때문에 무언가 자기장에 대한 정보를 알 수 있게 되죠.
그리고 자기장에 대한 정보를 알게 되면, 역시 해당 천체의 내부에 대해서 뭔가를 알 수 있게 되는 것입니다."
 
만약 가니메데에 소금물 바다가 있다면 이 바다에서 목성의 첫번째 자기장에 대응되는 두 번째 자기장이 만들어졌을 것이다.

그리고 자기장 간의 마찰이 오로라의 진동을 억제하게 만들었을 것이다.

 

가니메데의 바다는 목성의 자기장과 마찰을 겪고 있으며 그 마찰이 너무나 강력해서 오로라의 진동을 2도 이내로 억제하고 있다.
만약 바다가 없었다면 오로라의 진동은 6도 폭으로 발생했을 것이다.

 

 

Credit: NASA, ESA, and J. Saur (University of Cologne, Germany) Ganymede Globe Credit: NASA, JPL, and the Galileo Project

 

그림2> 허블우주망원경을 이용하여 목성의 위성인 가니메데를 휘감고 있는 한 쌍의 오로라 띠를 관측하였다.

오로라 띠는 허블우주망원경의 화상 분광기를 이용하여 자외선 대역에서 관측되었으며 이 삽화에는 파란색으로 묘사되어 있다.

삽화에 사용한 가니메데 사진은 NASA의 갈릴레오 위성이 가시광선으로 촬영한 사진이다.

오로라가 빛나고 있는 지역은 이 위성의 자기장에 의해 결정된 것이며 따라서 이는 자기장이 생성되는 가니메데의 내부 구조에 대한 정보를 제공해 주고 있는 것이다.

목성이 뿜어내는 거대한 자기권과의 상호작용에 의해 발생하는 가니메데 자기장의 진동량은 가니메데 내부에 소금기가 있는 바다가 존재한다는 증거를 제공해 주고 있다.

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

그림 3> 이 표는 가니메데 오로라 띠의 편위를 보여주고 있다.

오로라 띠의 움직임은 가니메데 내부 정보에 대한 단서가 된다.

가니메데는 자기장을 만들어내는 철핵을 가지고 있으며 자신의 행성인 목성과 가까운 거리에 있기 때문에 목성의 자기장에 파묻혀 있기도 하다. 
목성의 자기장이 변화를 일으키면 가니메데의 오로라 또한 변화되면서 앞뒤로 흔들리게 된다.

만약 가니메데 지하에 바다가 있다면 이 진동의 양은 줄어들게 된다.

두 개 오로라의 진동양상을 관측한 결과 과학자들은 가니메데의 지각 아래 소금기가 있는 상당한 양의 물이 있으며 이것이 자기장에 영향을 끼지고 있음을 알게 되었다.

과학자들은 가니메데의 바다가 100킬로미터의 깊이를 가지고 있으며 - 이는 지구의 바다보다 10배 이상 깊은 수치이다 - 대부분 얼음으로 구성된 지각 아래, 150킬로미터 지점에 존재하고 있을 것으로 생각하고 있다.

 

과학자들은 거대 위성의 형성 모델에 입각해서 1970년대에 처음으로 가니메데에 물이 존재할 것이라고 추정했었다.

그리고 NASA의 갈릴레오 위성이 2002년 가니메데에서 자기장을 탐지함으로써, 이 가설을 지지하는 첫번째 증거를 제시한 바 있다.

 

당시 갈릴레오 위성은 20분 간격으로 순간순간의 자기장 측정치를 획득하였다.
그러나 이는 바다로 인해 발생한 두번째 자기장의 주기적인 흔들림으로 명확히 구분되기에는 너무나 짧은 관측이었다.

 

이번 새로운 관측은 자외선 영역에서 수행되었는데, 대부분의 자외선은 지구 대기에 의해 차단되기 때문에 이 작업은 지구 대기 위에 위치하는 우주망원경에 의해서만 시도될 수 있는 작업이었다.

연구팀의 연구결과는 3월 12일자 '지구물리학 연구 : 우주물리학 (the Journal of Geophysical Research: Space Physics)' 온라인판에 개재되었다.

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

그림 4> 이 그림은 가니메데의 철핵으로부터 생성된 가니메데 주변의 자기장을 묘사한 것이다.

가니메데에서 발생하는 오로라를 허블우주망원경으로 측정한 결과 가니메데의 자기장은 가니메데 내부에 소금기가 있는 바다의 존재를 암시하고 있으며 이는 가니메데 자기권의 움직임에 영향을 미치고 있었다.

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

그림 5> 이 삽화는 목성의 최대 위성인 가니메데의 내부 모습을 보여주고 있다.

이 삽화는 갈릴레오 위성의 관측 자료를 근거로 한 이론적 모델과 그 내부 구조를 탐지할 수 있는 계기가 되었던 허블 우주망원경의 가니메데 오로라 관측 데이터를 근거로 제작되었다.

가니메데의 외곽층 상당 부분은 얼음과 소금기가 있는 바다가 주로 차지하고 있음을 알 수 있다.

그보다 더 깊숙이에는 고밀도 암석질 맨틀이 있으며 가장 중심에는 철핵이 자리잡고 있다.

 

NASA는 4월 24일 획기적인 탐사의 장을 연 허블 우주망원경 설치 25주년을 기념하고 있다.

허블 우주망원경은 태양계와 태양계 너머로 우리의 지식을 확장시켜주고 있으며 수많은 별들 사이에 우리의 위치를 찾는데 도움을 주고 있다.

25년간 허블의 업적에 대한 대화에 참여하고 있으면 헤쉬태그 #Hubble25 를 사용하면 된다.

 

출처 : 허블사이트 2015년 3월 12일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/09/

 

참고 : 가니메데를 비롯한 목성과 목성의 달에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346946

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-09

NASA's Hubble Observations Suggest Underground Ocean on Jupiter's Largest Moon

 

NASA's Hubble Space Telescope has the best evidence yet for an underground saltwater ocean on Ganymede, Jupiter's largest moon. The subterranean ocean is thought to have more water than all the water on Earth's surface.

Identifying liquid water is crucial in the search for habitable worlds beyond Earth and for the search for life as we know it.

"This discovery marks a significant milestone, highlighting what only Hubble can accomplish," said John Grunsfeld, assistant administrator of NASA's Science Mission Directorate at NASA Headquarters, Washington, D.C. "In its 25 years in orbit, Hubble has made many scientific discoveries in our own solar system. A deep ocean under the icy crust of Ganymede opens up further exciting possibilities for life beyond Earth."

Ganymede is the largest moon in our solar system and the only moon with its own magnetic field. The magnetic field causes aurorae, which are ribbons of glowing, hot electrified gas, in regions circling the north and south poles of the moon. Because Ganymede is close to Jupiter, it is also embedded in Jupiter's magnetic field. When Jupiter's magnetic field changes, the aurorae on Ganymede also change, "rocking" back and forth.

By watching the rocking motion of the two aurorae, scientists were able to determine that a large amount of saltwater exists beneath Ganymede's crust, affecting its magnetic field.

A team of scientists led by Joachim Saur of the University of Cologne in Germany came up with the idea of using Hubble to learn more about the inside of the moon.

"I was always brainstorming how we could use a telescope in other ways," said Saur. "Is there a way you could use a telescope to look inside a planetary body? Then I thought, the aurorae! Because aurorae are controlled by the magnetic field, if you observe the aurorae in an appropriate way, you learn something about the magnetic field. If you know the magnetic field, then you know something about the moon's interior."

If a saltwater ocean were present, Jupiter's magnetic field would create a secondary magnetic field in the ocean that would counter Jupiter's field. This "magnetic friction" would suppress the rocking of the aurorae. This ocean fights Jupiter's magnetic field so strongly that it reduces the rocking of the aurorae to 2 degrees, instead of 6 degrees if the ocean were not present.

Scientists estimate the ocean is 60 miles (100 kilometers) thick — 10 times deeper than Earth's oceans — and is buried under a 95-mile (150-kilometer) crust of mostly ice.

Scientists first suspected an ocean in Ganymede in the 1970s, based on models of the large moon. NASA's Galileo mission measured Ganymede's magnetic field in 2002, providing the first evidence supporting those suspicions. The Galileo spacecraft took brief "snapshot" measurements of the magnetic field in 20-minute intervals, but its observations were too brief to distinctly catch the cyclical rocking of the ocean's secondary magnetic field.

The new observations were done in ultraviolet light and could only be accomplished with a space telescope high above Earth's atmosphere, which blocks most ultraviolet light.

The team’s results will be published online in the Journal of Geophysical Research: Space Physics on March 12.

NASA's Hubble Space Telescope is celebrating 25 years of groundbreaking science on April 24. It has transformed our understanding of our solar system and beyond, and helped us find our place among the stars. To join the conversation about 25 years of Hubble discoveries, use the hashtag #Hubble25.

CONTACT

Ann Jenkins / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4488 / 410-338-4514
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Felicia Chou
NASA Headquarters, Washington, D.C.
202-358-0257
felicia.chou@nasa.gov

Joachim Saur
University of Cologne, Cologne, Germany
jsaur@uni-koeln.de