닉스(Nix)와 하이드라(Hydra)의 혼란스러운 자전 양상

* 플루토(Pluto)는 '명왕성'을 말합니다.
명왕성은 더 이상 행성으로 분류되지 않습니다.
'명왕성'이라는 한자식 표현은 '해왕성, '천왕성'등과 동급의 표현으로 행성이라는 의미를 가지고 있는 표현입니다.
따라서 오해의 소지를 없애기 위해 더 이상 '명왕성'으로 적시하지 않고 영어 표현 그대로 '플루토(Pluto)'로 표현합니다.

Credit: NASA, ESA, M. Showalter (SETI Institute), and G. Bacon (STScI)

 

그림 1> 이 그림들은 플루토-카론 짝행성계를 공전하는 위성 닉스(Nix)가 보여주는 불규칙한 방향 변화를 묘사한 것이다.

이는 복잡한 중력장에서 자전하는 천체의 역학 모델을 근거로 추정된 것이다.
이곳에서 복잡한 중력장은 플루토와 카론이 서로에 대해 행사하는 중력에 의해 형성되는 것으로 보인다.

천문학자들은 이 시뮬레이션을 이용하여 플루토-카론을 공전하는 닉스의 불규칙한 빛의 반사 양상을 이해하려고 노력하고 있다.  
연구팀은 플루토의 또다른 위성인 하이드라 역시 혼란스러운 자전 양상을 보여준다는 것을 발견하였다.  
두 위성 모두 럭비공과 같은 타원형태가 이러한 불규칙한 움직임에 일조하고 있다.

그 결과 만약 당신이 이 위성에 거주한다면 다음날 태양이 언제 어디에서 뜨게 될지를 예측할 수 없게 된다. 
플루토의 위성은 너무나 작아서 허블우주망원경으로도 분해되지 않는다.

따라서 이 상상화에서 묘사된 표면의 질감은 순전히 상상에 근거하여 묘사된 것이다.

 

 

허블우주망원경을 이용하여 플루토의 두 개 위성이 보여주는 환란스러운 움직임을 예측하다.

 

Credit: NASA, ESA, M. Showalter (SETI Institute), and G. Bacon (STScI)

만약 당신이 플루토의 달인 닉스(Nix)나 하이드라(Hydra)에 살고 있다면 자명종 시계를 맞추기가 아주 힘들것이다.

왜냐하면 언제 어느 방향으로 해가 떠오를지를 예측할 수 없기 때문이다.

 

닉스와 하이드라를 촬영한 허블우주망원경의 데이터에 대한 포괄적인 분석결과 이들이 불규칙하게 흔들리고 있다는 것을 알게 되었다.

과학자들은 아직 분석이 되지 않은 또 다른 두 개의 작은 달인 케베로스(Kerberos)와 스틱스(Styx)도 유사한 상황일 것으로 생각하고 있다.

 

NASA 과학임무위원회 국장보인 존 그룬스펠드(John Grunsfeld)의 소감은 다음과 같다.
" 허블우주망원경이 혼란스러운 리듬에 맞춰 춤추고 있는 플루토와 플루토의 달에 대한 새로운 모습을 보여주었습니다.
오는 7월 뉴호라이즌호가 플루토 계를 통과하게되면 우리는 이 달들의 모습을 확실하게 볼 수 있는 기회를 얻게 될 것입니다."
 

이 위성들은 왜 혼란스러운 움직임을 보일까?

그것은 이 달들이 플루토계의 중심을 이루며 상호 공전하고 있는 두 개의 천체인 플루토와 카론에 의해 야기된 흔들리는 중력장 안에 갇혀 있기 때문이다.

 

중력장의 지속적인 변화로부터 회전력이 생성되어 훨씬 규모가 작은 달에 전달되면서 예상치 못한 뱡향으로 흔들리고 있는 것이다.

이러한 회전력은 이 달들이 구형이 아니라 럭비공 모양을 하고 있기 때문에 더 강력한 힘을 끼치게 된다.

 

SETI 연구소의 마크 쇼월터(Mark Showalter)와 도우 헤밀턴(Doug Hamilton)이 이끌어낸 이 놀라운 허블관측결과는 6월 4일, 영국의 과학 저널인 네이처지에 발표되었다.

 

쇼월터의 설명은 다음과 같다.
" 허블우주망원경을 이용한 관측이전에는 아무도 플루토계의 복잡한 역학을 이해하지 못했습니다.
우리의 보고서는 플루토 계의 형성을 만들어낸 일련의 사건들에 대한 새롭고도 중요한 제약사항을 제공하고 있는 것입니다."

 

허블우주망원경을 이용한 모니터링 결과는 플루토 외곽의 4개의 달들 중 세 개인 닉스와 스틱스, 하이드라가 서로 중력적으로 잠겨 있는 상태여서 각각의 공전 궤도간에 정확한 비율이 존재한다는 점도 알려주었다.

 

헤밀턴이 강조하는 것은 다음과 같다.
"이렇게 서로 묶여 움직이는 양상이 목성의 3개 거대한 달에서도 유사하게 나타납니다.
만약 당신이 닉스에 있다면 당신은 하이드라가 플루토를 3번 공전할 때마다 두번 공전하는 스틱스의 모습을 볼 수 있을 겁니다."

 

허블의 관측자료는 이들이 불규칙적인 공전을 하고 있다는 관측적 근거도 제공하였다.

 

쇼월터의 설명은 다음과 같다.
"그러나 이것이 플루토 계가 서로 뿔뿔이 흩어질 국면에 있는 것은 아닐지를 고민할 필요는 없습니다.
플루토 계가 오랜 시간이 지난 이후 어떻게 될지를 결정하기 전에 현재 플루토 계가 어떠한지 더 많이 알아야 할 필요가 있을 뿐이죠."

 

천문학자들에게 또 하나의 놀라움을 선사한 것은 플루토의 여러 달들이 하얀 모래 정도의 밝기를 가지고 있음에 반해 케베로스는 석탄만큼이나 검은 색을 가지고 있다는 점이었다.

 

예전에는 달에 유성이 충돌하면서 비산된 먼지들이 달들의 표면을 덮으면서 모든 달들이 유사한 표면 양상을 보일 것으로 예견되었었다.

쇼월터는 이것이 연구진을 자극하는 결과라고 말했다.

 

NASA의 뉴호라이즌호가 2015년 7월 플루토-카론계를 통과하게 될 때, 허블관측에 의해 발견된 이상한 점들 뿐 아니라 검은 색을 뒤집어 쓰고 있는 이 위성에 대한 궁금증을 해결하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

이번 새로운 발견들은 뉴호라이즌의의 관측 계획 상에서 다뤄지고 있다. 

 

플루토-카론 계에서 보이는 이런한 혼란스러운 양상은 짝별계에서 행성들이 어떻게 공전하게 되는지에 대한 통찰을 제공해주고 있다.

 

헤밀턴의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이러한 혼란 양상이 짝별계에서 나타나는 일반적인 특징일지도 모른다는 점을 배우고 있습니다.
이와 같은 특징을 가진 행성계에도 생명이 존재할지도 모르는 일입니다."

NASA의 케플러우주망원경은 그 동안 짝별계를 공전하는 여러개의 행성개를 발견해왔다.

 

플루토에서 보이는 혼란의 양상에 대한 첫번째 단서는 천문학자들이 플루토의 두 개의 달인 닉스와 하이드라에서 반사되는 빛의 변이 양상을 측정할 때 발견되었다.

여기서 반사되는 빛의 밝기가 전혀 예측할 수 없는 패턴으로 변화하고 있었던 것이다.

 

쇼월터는 데이터들이 매우 혼란스러웠으며 전혀 감을 잡을 수 없는 상태였고, 그래서 뭔가 수상쩍인 일이 발생하고 있음을 의심하게 됐다고 말했다.
쇼월터와 그의 연구팀은 2005년부터 2012년까지 허블우주망원경이 촬영한 플루토의 데이터를 분석하였다.  
그리고 연구진은 달에서 나타나는 이러한 예측불가능한 반사율의 변화를 복잡한 중력장 내에서 회전하고 있는 천체에서 나타나는 역학적 모델과 비교하였다.

공전궤도가 모행성과 가까운 규모가 작은 달들 뿐 아니라 실제적으로 큰 규모를 가지고 있는 모든 달들은 한쪽 면을 항상 자신의 모행성에 향하고 있다. 

이것이 의미하는 것은 달들의 자전 주기가 공전주기와 정확히 일치한다는 것이다.

 

항상 그런것은 아니지만 이는 달과 행성간의 중력조석 작용에 의한 결과이다.

(토성의 달인 하이페리온은 불규칙한 자전을 보이는 또 다른 태양계 천체의 유일한 예이다. 이는 토성과 토성의 가장 큰 달이 타이탄과의 중력작용이 합쳐진 결과이다.)

플루토의 달들의 형성에 대한 가설은 비슷한 크기를 지닌 난쟁이 행성들이 태양계 형성 초기에 서로 충돌하면서 형성된 것으로 가정하고 있다.

대충돌로부터 비산된 물질들이 하나로 합쳐져 나가면서 오늘날 플루토 주변에서 관측되는 일련의 달들이 만들어졌다는 것이다.

 

플루토의 가장 큰 짝 천체인 카론은 1978년 발견되었다.

이 천체의 크기는 플루토 크기의 반에 달한다.

 

그리고 나머지 달 중 닉스와 하이드라가 2005년, 그리고 케베로스가 2011년 마지막으로 스틱스가 2012년 발견되었다.

수십킬로미터의 지름을 가진 이 작은 달들은 뉴호라이즌호가 이곳을 통과할 때 잠재적인 위협이 되는 천체들을 찾으려는 허블 탐사의 일환으로 발견된 것들이다.

 

Credit: NASA, ESA, M. Showalter (SETI Institute), and A. Feild (STScI)

 

그림2> 이 상상화는 지난 수년간 허블우주망원경에 의해 발견된 플루토의 작은 위성들의 상대적인 크기와 밝기를 비교한 것이다.

1978년 밝견된 플루토의 짝천체인 카론이 가장 아래 기준 천체로 등장한다.

두 개의 달은 상당히 찌그러진 양상을 보인다.

여기 등장하는 위성들 간에 나타나는 반사도 역시 석탄처럼 검은 색에서 하얀 모래의 밝기까지 다양한 양상을 보인다.

허블우주망원경의 해상도는 이 달들의 표면을 식별하지 못하기 때문에 이 상상화에서 묘사한 각 달의 표면 질감은 순전히 상상의 산물이다.

 

플루토와 카론은 이중행성으로 불리곤 하는데, 이는 두 천체 사이의 질량 중심점을 중심으로 상호공전을 하기 때문이다.

지구와 달의 경우 중력 중심이 지구 표면 안쪽임에도 불구하고 어떤 이들은 지구와 달 역시 이중행성이라고 간주하기도 한다.
(달의 질량은 지구 질량의 80분의 1임에 반해 카론은 플루토 질량의 8분의 1이다.)

과학자들은 허블우주망원경의 관측 데이터와 뉴호라이즌 호의 관측 데이터, 그리고 향후 이뤄지게 될 제임스 웹 우주망원경의 관측 결과를 조합하면 플루토-카론계의 수많은 수수께끼를 풀어내는데 도움이 될 것으로 예측하고 있다.

지상에 위치한 망원경으로서 이 작은 달들을 감지해낸 망원경은 아직 존재하지 않는다.

 

쇼월터의 소감은 다음과 같다.
"뉴호라이즌 호가 7월, 플루토를 통과할 때까지 플루토는 우리를 계속 놀라게 할 것입니다.
허블우주망원경을 이용한 우리의 작업은 이곳에 갖춰진 놀라운 사실들을 미리 맛보는 것이라 할 수 있습니다."

 

출처 : 허블사이트 2015년 6월 3일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/24/

 

참고 : 플루토를 비롯한 태양계 소천체에 대한 각종 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>

News Release Number: STScI-2015-24

Hubble Finds Two Chaotically Tumbling Pluto Moons

If you lived on one of Pluto's moons Nix or Hydra, you'd have a hard time setting your alarm clock. That's because you could not know for sure when, or even in which direction, the sun would rise.

A comprehensive analysis of all available Hubble Space Telescope data shows that two of Pluto's moons, Nix and Hydra, are wobbling unpredictably. Scientists believe the other two small moons, Kerberos and Styx, are likely in a similar situation, pending further study.

"Hubble has provided a new view of Pluto and its moons revealing a cosmic dance with a chaotic rhythm," said John Grunsfeld, associate administrator of NASA's Science Mission Directorate in Washington, D.C. "When the New Horizons spacecraft flies through the Pluto system in July we'll get a chance to see what these moons look like up close and personal."

Why the chaos? Because the moons are embedded inside a dynamically shifting gravitational field caused by the system's two central bodies, Pluto and Charon, whirling about each other. The variable gravitational field induces torques that send the smaller moons tumbling in unpredictable ways. This torque is strengthened by the fact the moons are football shaped rather than spherical.

The surprising results of the Hubble research, conducted by Mark Showalter of the SETI Institute in Mountain View, California, and Doug Hamilton of the University of Maryland at College Park, are appearing in the June 4 issue of the British science journal Nature.

"Prior to the Hubble observations nobody appreciated the intricate dynamics of the Pluto system," Showalter said. "Our report provides important new constraints on the sequence of events that led to the formation of the system."

Hubble's monitoring of Pluto's four outer moons has also revealed that three of them, Nix, Styx, and Hydra, are presently locked together in resonance where there is a precise ratio among their orbital periods. "This ties together their motion in a way similar to that of three of Jupiter's large moons," noted Hamilton. "If you were sitting on Nix you would see that Styx orbits Pluto twice for every three orbits made by Hydra."

Hubble provides observational evidence that the satellites are also orbiting chaotically. "However, that does not necessarily mean that the system is on the brink of flying apart," Showalter added. "We need to know a lot more about the system before we can determine its long-term fate."

To the surprise of astronomers, Hubble also found that the moon Kerberos is as dark as a charcoal briquette, while the other satellites are as bright as white sand. It was predicted that pollution by dust blasted off the satellites by meteorite impacts should overcoat all the moons, giving their surfaces a homogeneous look. "This is a very provocative result," Showalter said.

NASA's New Horizons probe, which will fly by the Pluto-Charon system in July 2015, may help settle the question of the asphalt-black moon as well as the other oddities uncovered by Hubble. These new discoveries are being used in the science planning for New Horizons's observations.

The chaos in the Pluto-Charon system offers insights into how planets orbiting a double-star might behave. "We are learning that chaos may be a common trait of binary systems," Hamilton said. "It might even have consequences for life on planets in such systems." NASA's Kepler space observatory has found several planetary systems orbiting double stars.

Clues to the Pluto chaos first came when astronomers measured variations in the light reflected off of the two moons Nix and Hydra. Their brightness changed unpredictably. "The data were confusing; they made no sense at all. We had an inkling something was fishy," Showalter said. His team analyzed Hubble images of Pluto taken during 2005-2012. They compared the unpredictable changes in the moons' reflectivity to dynamical models of spinning bodies in complex gravitational fields.

Virtually all large moons, as well as small moons in close-in orbits, keep one hemisphere facing their parent planet. This means that the satellite's rotation is perfectly matched to the orbital period. This is not coincidental, but the consequence of gravitational tides between moon and planet. (Hyperion, which orbits Saturn, is the only other solar-system example of chaotic rotation; it is due to the combined gravitational tugs of the planet and it largest moon, Titan).

Pluto's moons are hypothesized to have formed by a collision between the dwarf planet and another similar-sized body early in the history of the solar system. The smashup flung material that coalesced into the family of satellites observed around Pluto today. Its large binary companion, Charon, was discovered in 1978. The object is almost half the size of Pluto. Hubble discovered Nix and Hydra in 2005, Kerberos in 2011, and Styx in 2012. These little moons, measuring just tens of miles across, were found as part of a Hubble search for potential hazards to the New Horizons spacecraft flyby.

Pluto and Charon are called a double planet because they orbit about a common center of gravity that is located in the space between the bodies. Some regard the Earth-moon system as a double planet, too, although the center of gravity falls beneath Earth's surface. (Our moon has 1/80th of Earth's mass, whereas Charon has 1/8th of Pluto's mass.)

Researchers say that a combination of monitoring data from Hubble, New Horizons's brief close-up look, and eventually, observations with the James Webb Space Telescope will help settle many mysteries of the Pluto-Charon system. No ground-based telescopes have yet been able to detect the smallest moons.

"Pluto will continue to surprise us when New Horizons flies past it in July," Showalter said. "Our work with the Hubble telescope just gives us a foretaste of what's in store."

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4514
villard@stsci.edu

Felicia Chou
NASA Headquarters, Washington, D.C.
202-358-0257
felicia.chou@nasa.gov

Mark Showalter
SETI Institute, Mountain View, California
605-810-0234
mshowalter@seti.org

Doug Hamilton
University of Maryland, College Park, Maryland
301-405-1548
dhamil@astro.umd.edu