로제타와 필레의 발견 : 자기장이 존재하지 않는 혜성

 

Copyright ESA/Data: Auster et al. (2015)/Spacecraft: ESA/ATG medialab

 

표1> 로제타호의 로제타 플라즈마 컨소시엄 감지군(the Rosetta Plasma Consortium suite of sensors, 이하 RPC-MAG) 데이터(상단)와 필레 착륙선에 장착된  로제타 자기 탐지기 및 플라스마 모니터기((he Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor, 이하 ROMAP)의 데이터(하단)는 상보적 관계에 있는 데이터로서 67P/추류모프-게라시멘코 혜성의 자기 속성을 연구하는데 사용되었다.

왼쪽에는 로제타 호와 필레 호에 장착되어 있는 각 장비의 위치가 표시되어 있다.

오른쪽 그래프는 이 장비들이 모은 데이터를 보여주고 있다.

양 데이터의 상보적인 속성을 더 잘 볼 수 있게 하기 위해 RPC-MAG의 데이터는 10 nT 위쪽으로 그려졌다.

이 데이터는 2014년 11월 12일 세계표준시 기준 17시 25분에 있었던 필레 착륙선의 두 번째 착륙시도 바로 이전 단계에 수집된 데이터이다.

첫번째 착륙시도는 15:34분에 기록되었으며 충돌은 16시 20분에, 그리고 마지막 착륙은 17시 31분에 기록되었다.

 

로제타호와 필레 호가 67P/추류모프 게라시멘코 혜성이 자기화되어 있지 않다는 것을 발견하다. 

 

필레 착륙선이 여러차례에 걸쳐 착륙한 67P/추류모프-게라시멘코 혜성 지역에 대한 로제타 호와 필레 호의측정치는 이 혜성의 핵이 단 한 번도 자기장을 띤 적이 없음을 보여주고 있다.

 

혜성의 속성에 대한 연구는 46억년 전 태양계가 형성되던 당시 자기장의 역할이 무엇이었는지에 대한 단서를 제공해줄 수 있다.

갓 태어난 태양계는 그저 소용돌이치는 가스와 먼지 원반 이상 아무것도 아니었지만 수백만년 내에 태양이 이 험악한 원반의 중심부에서 폭발하며 삶을 시작하면서 이로부터 남겨진 물질들이 소행성이나 혜성, 달이나 행성으로 형성되기 시작했다.
 
이 먼지에는 상당한 양의 철 파편들도 포함되어 있었으며 이들중 몇몇은 자철광을 형성하고 있었다.

게다가 밀리미터 크기의 자기력을 갖춘 물질 알갱이들이 유성에서 발견되어왔는데, 이는 초기 태양계에 이미 이들이 존재했음을 알려주는 것이다.
 
이러한 사실은 과학자들로 하여금 원시행성원반을 관통하는 자기장이 보다 큰 천체를 형서하기 위해 덩어리지기 시작한 움직이는 물질들에 있어 중요한 역할을 수행했음을 알려주는 것이라 믿게 했다.
 
그러나 천체를 형성하는 기본입자들이 수백미터에 수킬로미터의 크기로 커져서 중력이 우세하게 나타나기 시작하기 전 단계인, 센티미터에서 미터로, 그리고 수십미터의 크기로 커가기 시작하는 단계에서 자기장이 얼마나 핵심적인 역할을 수행하였는지는 여전히 불분명한 연구 대상으로 남아 있다.

 

자기력을 띠거나 자기력을 띠지 않은 먼지 입자들의 집중양상에 대한 몇몇 이론들은 보다 더 몸집이 큰 천체들에서 자기력이 남아 있을 수 있으며 이 천체들은 또한 원시행성원반의 자기장에 의해 쉽게 영향을 받을 수 있었다는 점을 보여주고 있다.

혜성은 태양 형성 초기의 원시 물질들을 상당량 보유하고 있기 때문에 비교적 덩치가 큰 천체들이 여전히 자기력을 보유하고 있는지 여부를 확인할 수 있는 자연 실험실을 제공해주는 셈이다.
 
그러나 혜성의 자기장을 탐지해내는 것은 예전에는 매우 어려운 일이었다.
일반적으로 탐사선들은 매우 빠르게 혜성을 지나쳤으며 더더군다나 혜성의 핵으로부터 상대적으로 멀리 떨어져 있었기 때문이다.

ESA의 로제타 혜성 궤도 탐사선은 67P/추류모프-게라시멘코 혜성의 지근거리까지 접근했고, 더군다나 자기장 탐사는 이 혜성의 표면에 착륙한 필레 착륙선에 의해 측정되면서 처음으로 혜성의 핵에서 나타나는 자기장 속성에 대한 세밀한 조사가 이루어질 수 있었다. 

Copyright ESA/Data: Auster et al. (2015)/Comet image: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

 

표2> 필레에 탑재된 ROMAP의 자기장 데이터는 최종 기착지의 위치와 시간 추정치를 제공해준 혜성핵 음파 청취 장비(CONSERT : Comet Nucleus Sounding)의 정보 및 로제타 호에 탑재된 오시리스 카메라(OSIRIS Rosetta Orbiter Imaging System : 로제타 화상 시스템) 의 사진, 그리고 혜성의 중력 측정치 및 형태 측정치와 결합되어 필레 호가 하강과 지속적인 착륙을 시도하는 동안의 움직임, 그리고 혜성 표면에서 튀어오른 일련의 궤적을 재구성하는데 사용되었다.

이 시간들은 로제타호에 모두 기록되었으며 최종 신호는 28분 후 지구에 도착하였다.

처음 필레 호가 아질키아(Agilkia)에 내려갈 때는 천천히 회전하고 있었던 것으로 보인다.

첫번째 착륙시도 후 바로 다시 튀어올랐는데 내부의 플라이휠의 운동량이 필레에 전달되면서 회전속도가 현저하게 빨라졌다.

그리고나서 45분 후 절벽에 충돌하여 뒤집혔고, 이로부터 한 시간 이상을 떠다녔다.
그리고 다시 한 번 지표에 내려앉아 되튀어올랐고, 이후 몇 미터를 몇 분에 걸쳐 더 움직인 후 멈추게 되었다.

첫번째 착륙지점인 아질키아는 직접적으로 촬영한 사진에 의해 매우 쉽게 분별해낼 수 있지만 절벽 충돌이 있었을 것으로 보이는 지점은 탄도 모델에 의해 유추된 것이며, 이어진 두번째 착륙시도 지점과 아비도스의 세번째 착륙지점의 대체적인 위치는 CONSERT측정치로부터 얻어진 것이다. 

따라서 후반부의 위치는 추정치이다.

필레 호가 튀어오른 높이는 혜성의 질량 중심을 중심으로 한 구체와 첫번재 착륙지점까지의 거리 2393미터를 반경으로 하여 추정되었다.

 

필레 착륙선의 자기장 측정장비는 로제타 자기 탐지기 및 플라스마 모니터기(the Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor, 이하 ROMAP)이며 로제타호는 로제타 플라즈마 컨소시엄 감지군(the Rosetta Plasma Consortium suite of sensors, 이하 RPC-MAG)의 일부분으로 작동하는 자기 탐지기를 탑재하고 있다.

 

로제타 주변에서 나타나는 자기장의 변화는 RPC-MAG 로 하여금 2014년 11월 12일 이른아침 필레 착륙선의 전개 순간을 탐지하도록 해주었다.
 
그리고나서 외부자기장의 측정치에서 주기적인 변조를 감지함으로써 그리고 로봇팔을 펼쳐 올려 ROMAP 장비가 혜성에 내려앉는 순간을 감지할 수 있었으며 이후 몇 시간동안 필레가 움직이는 방향을 쫓아갈 수 있었다.

 

필레의 최종 기착지의 위치와 시간의 예측치를 제공해준 혜성핵 음파 청취기 장비(CONSERT : Comet Nucleus Sounding)와 로제타 호의 오시리스 카메라(OSIRIS Rosetta Orbiter Imaging System : 로제타 화상 시스템) 및 혜성의 중력 예측치, 그리고 그 형태의 측정 자료들을 조합하여 필레 착륙선의 궤적을 결정할 수 있었다.

 

로제타 미션 팀은 필레 호가 아질키아(Agilkia)에 한 번 내려앉았을 뿐만 아니라 다른 지점에 4차례나 충돌했으며, 이중에는 표면 구조물과의 가벼운 충돌도 한 번 포함되어 있고 최종 기착지인 아비도스(Abydos)를 향해 공중제비를 돌며 움직였음을 알게 되었다.

그런데 이처럼 복잡한 궤적이 ROMAP 팀에게는 오히려 과학적으로 유리한 점을 만들어주었음이 판명되었다.

 

사이언스에 개재된 논문의 주저자이자 2015년 4월 14일 오스트리아 비엔나에서 열린 유럽 지구과학 협회 총회에서 이번 결과를 발표한 ROMAP 공동책임연구원 한스-울리히 아우스터(Hans-Ulrich Auster)의 설명은 다음과 같다.
"전혀 계획하지 못한 움직임이 있었다는 것은 지표와의 접점이 이루어졌던 4개 지점에서, 그리고 각 단계에서 필레가 도달했던 고도 범위에서 정확한 자기장 측정치를 수집할 수 있었다는 것을 의미합니다."

 

 

 

Copyright ESA/Data: Auster et al. (2015)/Background comet image: ESA/Rosetta/NAVCAM - CC BY-SA IGO 3.0

 

표3> 이 표는 첫번째 착륙시도와 두번째 착륙시도 사이에 필레의 절벽 충돌이 있었던 세계표준시 기준 2014년 11월 12일 16시 20분 바로 직전(상)과  직후(하)에 필레의 ROMAP 장비에 의해 수집된 자기장 데이터를 보여주고 있다.

혜성표면으로부터의 고도가 X축을, 자기장의 세기가 Y축을 구성하고 있다.

따라서 왼쪽에서 오른쪽으로는 상승국면을(아래 그래프), 오른쪽에서 왼쪽으로는 하강국면을(위 그래프) 보여주고 있다.

자기장 측정치(십자표 모양)를 혜성표면에 약간의 자기력이 존재할 것이라고 가정한 가설상의 예측치(실선)와 비교해본 결과도 나타나 있다.

또한 여기에는 '태양풍 행성간 자기장(the solar wind interplanetary magnetic field)'이라는 이름이 붙은, 혜성의 핵 근처 외부자기장의 강도와 변주폭도 포함되어 있다.

혜성표면으로부터 10 미터 이상의 지점에서 혜성의 자기장은 약하게 나타나면서 외부자기장만 남겨져 있을 수 있을 것이다.

그러나 지표 가까이에서는 혜성 자체의 자기장이 반드시 증가하고 우세하게 나타났어야 했다.

그러나 이러한 모습이 전혀 보이지 않는다.
따라서 이 데이터는  1 미터 이상의 해상도(측정 장비의 해상도 한계)에서는 이 혜성이 자기화되어 있지 않다는 것을 의미한다.  

 

여러번의 하강과 상승을 통해 필레가 이 혜성의 표면을 가로질러 각 지점을 거쳐가는 동안 연구팀은 들고나는 방향을 따라 비교 측정치를 만들 수 있었다.

ROMAP은 이렇게 이동하는 동안 자기장을 측정하였는데, 그 강도는 필레가 자리잡고 있었던 고도나 위치와는 아무런 상관이 없다는 점이 발견되었다.

이러한 사실은 이 자기장이 혜성의 핵에서 발생하고 있을 것이라는 추정과는 일치하는 않는 사실이었다.

 

한스 울리히의 설명은 다음과 같다.
"만약 혜성 표면이 자기화되어 있는 상태였다면 필레 호가 표면에 점점 가까워질수록 명백하게 증가하는 자기장의 양상을 읽을 수 있을거라 기대했습니다.
그러나 필레가 지나갔던 그 어느 지역에서도 이와 같은 일은 일어나지 않았죠.
그래서 우리는 67P/추류모프-게라시멘코 혜성은 자기장을 전혀 갖추지 않은 천체라고 결론짓게 되었습니다."

대신 로제타호가 측정한 자기장은 전혀 다른 외부 천체와의 연관성을 보이고 있었는데, 이것은 혜성 핵 주위에 형성된 이른바 '태양풍 행성간 자기장(the solar wind interplanetary magnetic field)'의  영향이었다.

이러한 결론은 필레가 측정한 자기장의 변조가 동시간 대에 로제타 호에 의해 측정된 자기장과 거의 일치한다는 사실에 의해 확정되었다.

 

이번 논문의 공동저자이자 RPC-MAG 의 수석 과학자인 칼-하인즈 글라스마이어(Karl-Heinz Glassmeier)의 설명은 다음과 같다.
"필레가 하강하는 동안 로제타 호는 혜성표면으로부터 17Km 상공에 있었고, 자기장에 대한 보충정보를 제공할 수 있었습니다.
이로부터 혜성 표면 물질에 그 어떤 지엽적인 자기장 변칙이 있었을것이라는 추측은 배제되었죠.,"
 

만약 67P/추류모프-게라시멘코 혜성의 표면에 자기화된 큰 덩어리 물질이 있었다면 ROMAP은 필레가 떠다니던 때 추가적인 변조를 기록했을 것이다.

 

한스 울리히가 내린 결론은 다음과 같다.
"만약 어떤 물질이라도 자기화 되어 있는 물질이 있었다면  그것은 1미터 이하의 크기였을 것입니다.
그것은 우리 측정치의 공간적 분해능 한계 아래의 값이죠.
그리고 만약 67P/추류모프-게라시멘코 혜성이 모든 혜성의 핵을 대표할 수 있다면 우리는 자기력은 1미터 이상의 크기를 가진 기본 물질들이 뭉쳐 행성을 형성하는데 아무런 역할도 수행하지 않은것 같다고 말할 수 있게 됩니다."

 

ESA 로제타 프로젝트 과학자인 맷 테일러( Matt Taylor)의 소감은 다음과 같다.
"이번 연구는 혜성이 자기화되어 있는지 여부를 묻는 단순하지만 중요한 예-아니오 질문에 대답을 하는데 있어서 로제타 호와 필레 호가 함께 작업을 했을 때 상보적인 관계에서 수집된 데이터가 얼마나 유용한지를 매우 잘 보여주는 경우라 할 수 있습니다."
 

 

출처 : ESA SPACE SIENCE 2015년 4월 14일 News
         http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Rosetta_and_Philae_find_comet_not_magnetised

참고 : 67P/추류모프-게라시멘코 혜성을 비롯한 각종 혜성과 태양계 소천체에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
        왜소행성 : https://big-crunch.tistory.com/12346957
        소행성 : https://big-crunch.tistory.com/12346956
        혜성 : https://big-crunch.tistory.com/12346955
        유성 : https://big-crunch.tistory.com/12346954 

 

 

원문>

Rosetta and Philae find comet not magnetised

Measurements made by Rosetta and Philae during the probe’s multiple landings on Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko show that the comet’s nucleus is not magnetised.

Studying the properties of a comet can provide clues to the role that magnetic fields played in the formation of Solar System bodies almost 4.6 billion years ago. The infant Solar System was once nothing more than a swirling disc of gas and dust but, within a few million years, the Sun burst into life in the centre of this turbulent disc, with the leftover material going into forming the asteroids, comets, moons and planets.

The dust contained an appreciable fraction of iron, some of it in the form of magnetite. Indeed, millimetre-sized grains of magnetic materials have been found in meteorites, indicating their presence in the early Solar System.

This leads scientists to believe that magnetic fields threading through the proto-planetary disc could have played an important role in moving material around as it started to clump together to form larger bodies.

But it remains unclear as to how crucial magnetic fields were later on in this accretion process, as the building blocks grew to centimetres, metres and then tens of metres across, before gravity started to dominate when they grew to hundreds of metres and kilometres in scale.

Some theories concerning the aggregation of magnetic and non-magnetic dust particles show that the resulting bigger objects could also remain magnetised, allowing them to also be influenced by the magnetic fields of the proto-planetary disc.

Because comets contain some of the most pristine materials in the Solar System, they offer a natural laboratory for investigating whether or not these larger chunks could have remained magnetised.

However, detecting the magnetic field of comets has proven difficult in previous missions, which have typically made rapid flybys, relatively far from comet nuclei.

It has taken the proximity of ESA’s Rosetta orbiter to Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, and the measurements made much closer to and at the surface by its lander Philae, to provide the first detailed investigation of the magnetic properties of a comet nucleus.

Philae’s magnetic field measuring instrument is the Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor (ROMAP), while Rosetta carries a magnetometer as part of the Rosetta Plasma Consortium suite of sensors (RPC-MAG).

Changes in the magnetic field surrounding Rosetta allowed RPC-MAG to detect the moment when Philae was deployed in the morning of 12 November 2014.

Then, by sensing periodic variations in the measured external magnetic field and motions in its boom arm, ROMAP was able to detect the touchdown events and determine the orientation of Philae over the following hours. Combined with information from the CONSERT experiment that provided an estimate of the final landing site location, timing information, images from Rosetta’s OSIRIS camera, assumptions about the gravity of the comet, and measurements of its shape, it was possible to determine Philae’s trajectory.

The mission teams soon discovered that Philae not only touched down once at Agilkia, but also came into contact with the comet’s surface four times in fact – including a grazing collision with a surface feature that sent it tumbling towards the final touchdown point at Abydos.

This complex trajectory turned out to be scientifically beneficial to the ROMAP team.

“The unplanned flight across the surface actually meant we could collect precise magnetic field measurements with Philae at the four points we made contact with, and at a range of heights above the surface,” says Hans-Ulrich Auster, co-principal investigator of ROMAP and lead author of the results published in the journal Science and presented at the European Geosciences Union General Assembly in Vienna, Austria, today.

The multiple descents and ascents meant that the team could compare measurements made on the inward and outward journeys to and from each contact point, and as it flew across the surface.

ROMAP measured a magnetic field during these sequences, but found that its strength did not depend on the height or location of Philae above the surface. This is not consistent with the nucleus itself being responsible for that field.

“If the surface was magnetised, we would have expected to see a clear increase in the magnetic field readings as we got closer and closer to the surface,” explains Hans-Ulrich.  “But this was not the case at any of the locations we visited, so we conclude that Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko is a remarkably non-magnetic object.”

Instead, the magnetic field that was measured was consistent with an external one, namely the influence of the solar wind interplanetary magnetic field near the comet nucleus.  This conclusion is confirmed by the fact that variations in the field that were measured by Philae closely agree with those seen at the same time by Rosetta.

“During Philae’s landing, Rosetta was about 17 km above the surface, and we could provide complementary magnetic field readings that rule out any local magnetic anomalies in the comet’s surface materials,” says Karl-Heinz Glassmeier, principal investigator of RPC-MAG on board the orbiter and a co-author of the Science paper.

If large chunks of material on the surface of 67P/Churyumov-Gerasimenko were magnetised, ROMAP would have recorded additional variations in its signal as Philae flew over them.

“If any material is magnetised, it must be on a scale of less than one metre, below the spatial resolution of our measurements. And if Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko is representative of all cometary nuclei, then we suggest that magnetic forces are unlikely to have played a role in the accumulation of planetary building blocks greater than one metre in size,” concludes Hans-Ulrich.

“It’s great to see the complementary nature of Rosetta and Philae’s measurements, working together to answer this simple, but important ‘yes-no’ question as to whether the comet is magnetised,” says Matt Taylor, ESA’s Rosetta project scientist.