엔켈라두스 : 열수활동이 활발한 바다를 품고 있을 것으로 보이는 토성의 위성

 

Image Credit: NASA/JPL-Caltech

 

그림1> 엔켈라두스 지하 바다의 해저면에서 발생할 것으로 보이는 열수 활동의 가능성을 묘사한 상상도.

 

- 카시니호가 지구가 아닌 천체에서 활동적인 열수 화학의 증거를 처음으로 발견했다.

- 이번 발견은 두 개의 독립적인 논문에서 그 개념을 지지하고 있다.

- 이번 연구 결과는 지구 너머 외계 천체에서의 생명체 거주 가능성이라는 중요한 의미를 가지고 있다.

 

카시니호가 토성의 위성 엔켈라두스에서 마치 지구의 대양 깊은 곳에서 발견되는 것과 유사한 열수활동이 존재한다는 신호를 포착하였다.

지구가 아닌 다른 세상에서 이와 같은 활동이 존재한다는 것은 전례없는 과학적 가능성을 제기하는 것이다.

 

NASA 과학임무위원회 국장보인 존 그룬스펠드(John Grunsfeld)의 소감은 다음과 같다.
"이번 발견은 지하에 대양을 품고 있으며 주목할만한 지질활동을 보여주고 있는 엔켈라두스가 유기체가 서식하는데 적합한 환경을 품고 있을지도 모른다는 가능성을 보여주고 있는 것입니다.
극단적인 환경을 가진 태양계의 특정 지역에서 생명체가 있을지도 모른다는 점은 '과연 우주에서 우리는 외톨이인가?'에 대한 질문의 답이 보다 가까워졌다는 것을 의미합니다."

 

열수활동이 바닷물의 침투와 암석 지각의 반응, 그리고 광물을 함유한 가열된 액체로 나타나는 것은 지구의 대양에서는 자연스럽게 발생하는 현상이다.

 

두 개의 과학 논문에 따르면 이와 유사한 활동이 엔켈라두스에서도 발생하고 있음을 알려주는 명확한 징후가 발견되었다.

 

2015년 3월 11일, 네이처지에 발표된 첫 번재 논문은 토성 궤도를 공전중인 카시니호에 의해 포착된 미세 암석 알갱이와 관련된 것이다.

 

과학자들은 카시니호가 취득한 데이터를 대상으로 4년에 걸친 광범위한 분석 및 컴퓨터 시뮬레이션, 그리고 실험실에서 여러 실험을 수행하였다.

그 결과 과학자들은 이 미세 알갱이들이, 광물이 녹아있는 뜨거운 물이 엔켈라두스의 암석로부터 떠올라 차가운 물과 닿으면서 만들어졌을 가능성이 높다는 결론을 내리게 되었다.

이처럼 미세한 암석 알갱이를 만들어내기 위한 상호작용을 일으키는데 필요한 온도는 최소 90도 이다.
 

논문의 주저자인 콜로라도 대학의 박사후 과정 연구원 션 수(Sean Hsu)의 소감은 다음과 같다.
"간헐천에 의해 우주공간으로 뿜어져나온 미세 암석 알갱이를 우리가 확인할 수 있다는 것은 대단히 흥미로운 일입니다.
이것은 우리에게 이 얼음 위성이 품고 있는 바다의 상태를 말해주고 있었죠."

 

카시니호의 우주 먼지 분석기(cosmic dust analyzer, 이하 CDA)는 규소가 풍부하게 존재하는 암석 소립자를 2004년 토성 공전궤도에 진입하기 전에도 반복적으로 탐지해냈다.

 

가설 배제단계를 거쳐 CDA팀은 이 입자가 지구의 모래와 석영에서 발견되는 것과 같은 규소 알갱이임이 틀림이 없다는 결론을 내렸다.
가장 큰 것이 6~9 나노미터 정도 되는, 이 알갱이들의 고른 크기는 이에 대응될만한 특정 프로세스가 있다는 점을 과학자들에게 인지시켜준 단서가 되기도 하였다.

 

지구에서 이 정도 크기의 규소 알갱이를 형성하는 가장 일반적인 방법은 특정 조건 하에서 이루어지는 열수활동이다.
이 크기의 규소 알갱이들은 규소가 과포화 상태에 있는 약알칼리성 소금물이 빠르게 열을 잃을 때 만들어진다.
 
이번 논문의 공동자자인 하이델베르그 대학의 카시니 우주선 우주먼지 분석기 과학자인 프랑크 포스트버그(Frank Postberg)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 나노규소 알갱이의 존재를 설명해 줄 수 있는 또다른 이론적 근거를 찾아봤습니다.
그러나 그 모든 결과는 가장 그럴듯한 하나의 설명으로 모아졌죠."

 

수와 포스트버그는 열수활동 가설을 검증할 수 있는 세밀한 실험실 연구를 수행한 도쿄 대학의 동료들과 긴밀하게 작업했다.
야수히토 세킨(Yasuhito Sekine)이 이끈 일본 연구팀은 카시니호가 감지한 것과 동일한 크기의 규소 알갱이들을 생성될만한 조건들을 검토하였다.

 

과학자들은 이와 같은 조건들이 엔켈라두스의 해저에 존재할지도 모른다고 생각했다.
엔켈라두스 내부로부터 발생하는 뜨거운 물이 상대적으로 차가운 해저의 바닷물과 만나는 곳이 있을 것이라고 가정했던 것이다.

 

또한 이처럼 대단히 작은 크기의 규소 입자들은 이들이 열수 활동 근원지로부터 지표 근처 간헐천으로 상대적으로 빠르게 떠올랐음을 말해주는 것이기도 했다.

 

해저면으로부터 우주공간까지의 거리는 약 50킬로미터이며 이 알갱이들은 이 거리를 거치고 올라오는데는 몇 개월에서 몇 년정도가 소진되었을 것이다.
만약 이보다 더 오랜 시간이 소요되었다면 알갱이는 더 큰 크기를 가지고 있었을 것이다.

 

논문의 저자들은 카시니호가 측정한 엔켈라두스의 중력 측정치를 고려해볼 때 엔켈라두스의 암석 핵은 매우 투과성이 높을 것이며 따라서 바다로부터 엔켈라두스 암석 핵 내부로 물이 쉽게 투과하여 들어갈 수 있을 것이라는 점에 주목하였다.  
이는 물과 바위가 상호작용을 지속할 수 있는 대단히 넓은 표면적이 존재한다는 점을 말해주는 것이다.

 

한편, 지난 달 지구물리학연구 지(Geophysical Research Letters)에 개재된 두번째 논문은 엔켈라두스의 남극 지역에서 분출하고 있는 가스와 얼음 입자 분출물에서 감지되는 메탄의 두 가지 원인 중 하나로서 열수활동을 제안하고 있다.
 
이는 프랑스와 미국의 과학자들이 이전에 카시니호가 탐지한 것과 같이 왜 이 분출물 상에 메탄이 그토록 많이 함유되어 있는지에 대해 광범위한 모델링을 진행한 결과이다.

 

그림 2> 엔켈라두스의 해저면과 메탄의 포접현상   Image Credit: SwRI

 

연구팀의 연구결과에 따르면 엔켈라두스의 바다는 높은 압력을 받고 있을 것이며 이로인해 얼음 결정 구조 내에 메탄 분자들을 갇혀있는 포접화합물이 만들어졌을 것으로 추측하고 있다.

이 모델은 왜 분출물에 메탄이 그토록 풍부하게 존재하는지에 대응되는, 바다에서 메탄을 매우 효과적으로 제거하는 프로세스이다.

 

이 시나리오에서는 열수활동은 메탄이 과포화된 바닷물을 만드는 프로세스로서 등장한다.

이러한 가정은 메탄이 포접되는 것보다 더 빠르게 생성되고 있다면 충분히 가능성이 있는 시나리오이다.  

 

또 하나의 가정은 바닷물에서 만들어진 메탄 포접물이 분출기둥을 따라 끌려올라와 마치 샴페인의 뚜껑을 땄을 때 거품이 생기는것처럼 메탄을 방출시킨다는 것이다.

 

과학자들은 이러한 두 개 시나리오 모두 어느 정도 발생할 수 있을 것으로 생각하고 있지만, 앞서 다룬 논문에서 기술된 바와 같이 나노 규소 알갱이들의 존재를 봤을 때 열수활동에 의한 시나리오를 더 가능성이 있는 것으로 생각하고 있다.

 

이 논문의 주저자인 텍사스 대학의 대학원생 알렉시스 부케(Alexis Bouquet)의 소감은 다음과 같다.
"우리는 엔켈라두스의 포접화합물에 대한 연구가 메탄의 생성 기재로서 열수활동이라는 아이디어를 떠올리게 할 줄은 전혀 몰랐습니다. "

 

부케는 사우스웨스트우주탐사연구소(the Southwest Research Institute)에서 카시니 이온 및 중성질량 분광계 (the Cassini Ion and Neutral Mass Spectrometer, INMS) 팀의 리더인 헌터 웨이트(Hunter Waite)와 함께 작업을 진행하였다.

 

카시니호가 처음 엔켈라두스에서 지질학적 활동이 발생하고 있음을 알아낸것은 2005년으로서 이때 엔켈라두스 남극지역에서 분출하고 있는 얼음 알갱이들을 발견하였고 그곳의 얼음 표면이 예상보다 높은 온도를 가지고 있음을 밝혀냈다.

 

카시니 호는 강력한 상호보완체계를 가진 과학 장비들을 이용하여 곧 이 분출기둥이 주름이 가득한 카시니 표면의 상대적으로 따뜻한 균열부에서 솟아오르고 있으며 얼음과 수증기, 염분 및 유기물질들을 함유하고 있음을 알아냈다.

2014년 발표된 중력과학 논문은 얼음 지각 10킬로미터 아래에 약 30~40킬로미터 두께의 바다가 존재한다는 점을 강력하게 주장한 바 있다.  
 
          

출처 : NASA Solar System Exploration 2015년 3월 11일 News Release
         http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=48922      

 

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

 

원문>

Saturn Moon's Ocean May Harbor Hydrothermal Activity

11 Mar 2015

 

(Source: NASA Jet Propulsion Laboratory)

Things to know:

• Cassini finds first evidence of active hot-water chemistry beyond planet Earth
• Findings in two separate papers support the notion
• The results have important implications for the habitability of icy worlds

NASA's Cassini spacecraft has provided scientists the first clear evidence that Saturn's moon Enceladus exhibits signs of present-day hydrothermal activity which may resemble that seen in the deep oceans on Earth. The implications of such activity on a world other than our planet open up unprecedented scientific possibilities.

"These findings add to the possibility that Enceladus, which contains a subsurface ocean and displays remarkable geologic activity, could contain environments suitable for living organisms," said John Grunsfeld, astronaut and associate administrator of NASA's Science Mission Directorate in Washington. "The locations in our solar system where extreme environments occur in which life might exist may bring us closer to answering the question: are we alone in the universe."

Hydrothermal activity occurs when seawater infiltrates and reacts with a rocky crust and emerges as a heated, mineral-laden solution, a natural occurrence in Earth's oceans. According to two science papers, the results are the first clear indications an icy moon may have similar ongoing active processes.

The first paper, published this week in the journal Nature, relates to microscopic grains of rock detected by Cassini in the Saturn system. An extensive, four-year analysis of data from the spacecraft, computer simulations and laboratory experiments led researchers to the conclusion the tiny grains most likely form when hot water containing dissolved minerals from the moon's rocky interior travels upward, coming into contact with cooler water. Temperatures required for the interactions that produce the tiny rock grains would be at least 194 degrees Fahrenheit (90 degrees Celsius).

"It's very exciting that we can use these tiny grains of rock, spewed into space by geysers, to tell us about conditions on -- and beneath -- the ocean floor of an icy moon," said the paper's lead author Sean Hsu, a postdoctoral researcher at the University of Colorado at Boulder.

Cassini's cosmic dust analyzer (CDA) instrument repeatedly detected miniscule rock particles rich in silicon, even before Cassini entered Saturn's orbit in 2004. By process of elimination, the CDA team concluded these particles must be grains of silica, which is found in sand and the mineral quartz on Earth. The consistent size of the grains observed by Cassini, the largest of which were 6 to 9 nanometers, was the clue that told the researchers a specific process likely was responsible.

 

On Earth, the most common way to form silica grains of this size is hydrothermal activity under a specific range of conditions; namely, when slightly alkaline and salty water that is super-saturated with silica undergoes a big drop in temperature.

"We methodically searched for alternate explanations for the nanosilica grains, but every new result pointed to a single, most likely origin," said co-author Frank Postberg, a Cassini CDA team scientist at Heidelberg University in Germany.

Hsu and Postberg worked closely with colleagues at the University of Tokyo who performed the detailed laboratory experiments that validated the hydrothermal activity hypothesis. The Japanese team, led by Yasuhito Sekine, verified the conditions under which silica grains form at the same size Cassini detected. The researchers think these conditions may exist on the seafloor of Enceladus, where hot water from the interior meets the relatively cold water at the ocean bottom.

The extremely small size of the silica particles also suggests they travel upward relatively quickly from their hydrothermal origin to the near-surface sources of the moon's geysers. From seafloor to outer space, a distance of about 30 miles (50 kilometers), the grains spend a few months to a few years in transit, otherwise they would grow much larger.

The authors point out that Cassini's gravity measurements suggest Enceladus' rocky core is quite porous, which would allow water from the ocean to percolate into the interior. This would provide a huge surface area where rock and water could interact.

The second paper, recently published in Geophysical Research Letters, suggests hydrothermal activity as one of two likely sources of methane in the plume of gas and ice particles that erupts from the south polar region of Enceladus. The finding is the result of extensive modeling by French and American scientists to address why methane, as previously sampled by Cassini, is curiously abundant in the plume.

The team found that, at the high pressures expected in the moon's ocean, icy materials called clathrates could form that imprison methane molecules within a crystal structure of water ice. Their models indicate that this process is so efficient at depleting the ocean of methane that the researchers still needed an explanation for its abundance in the plume.

In one scenario, hydrothermal processes super-saturate the ocean with methane. This could occur if methane is produced faster than it is converted into clathrates. A second possibility is that methane clathrates from the ocean are dragged along into the erupting plumes and release their methane as they rise, like bubbles forming in a popped bottle of champagne.

The authors agree both scenarios are likely occurring to some degree, but they note that the presence of nanosilica grains, as documented by the other paper, favors the hydrothermal scenario.

"We didn't expect that our study of clathrates in the Enceladus ocean would lead us to the idea that methane is actively being produced by hydrothermal processes," said lead author Alexis Bouquet, a graduate student at the University of Texas at San Antonio. Bouquet worked with co-author Hunter Waite, who leads the Cassini Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) team at Southwest Research Institute in San Antonio.

Cassini first revealed active geological processes on Enceladus in 2005 with evidence of an icy spray issuing from the moon's south polar region and higher-than-expected temperatures in the icy surface there. With its powerful suite of complementary science instruments, the mission soon revealed a towering plume of water ice and vapor, salts and organic materials that issues from relatively warm fractures on the wrinkled surface. Gravity science results published in 2014 strongly suggested the presence of a 6-mile- (10-kilometer-) deep ocean beneath an ice shell about 19 to 25 miles (30 to 40 kilometers) thick.

The Cassini-Huygens mission is a cooperative project of NASA, ESA (European Space Agency) and the Italian Space Agency. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, manages the mission for the agency's Science Mission Directorate in Washington. The Cassini CDA instrument was provided by the German Aerospace Center. The instrument team, led by Ralf Srama, is based at the University of Stuttgart in Germany. JPL is a division of the California Institute of Technology in Pasadena.

More information about Cassini, visit:

 

http://www.nasa.gov/cassini

 

and

http://saturn.jpl.nasa.gov

 

---

Preston Dyches
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
818-354-7013
preston.dyches@jpl.nasa.gov

Dwayne Brown
NASA Headquarters, Washington
202-358-1726
dwayne.c.brown@nasa.gov