달의 대기에 네온이 존재한다는 사실을 확정하다.

 

Credits: NASA Ames / Dana Berry

 

그림 1> 달 궤도를 돌고 있는 달 대기 및 분진환경 탐사선(the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer, 이하 LADEE)의 상상화

 

달의 희박한 대기에 네온이 포함되어 있다는 것이 밝혀졌다.
네온 가스는 강렬한 빛으로 인해 지구에서는 전광판으로 많이 사용되는 원소이다.

 

과학자들은 오랫동안 달의 대기에 네온이 있을 것으로 추정해왔다.
그리고 이번에 NASA의 달 대기 및 분진환경 탐사선(the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer, 이하 LADEE) 이 처음으로 네온의 존재를 확정하였다.

 

NASA 고다드 우주비행센터와 메릴랜드 대학의 매흐디 베나(Mehdi Benna)의 설명은 다음과 같다.
"달의 외기권에 네온이 존재할 것이라는 것은 아폴로 탐사 이후 줄곧 추정되어온 과제였습니다.
그러나 그 동안 이를 확증할만한 증거가 존재하지 않았죠.
지금 우리는 단순히 네온의 존재 여부 뿐 아니라 네온이 상대적으로 풍부하게 존재하고 있음을 알게 된 것을 대단히 기쁘게 생각하고 있습니다."

 

베나는 5월 28일 지오피지컬 리서치에 개재된 LADEE의 중성질량분광계(Neutral Mass Spectrometer, 이하 NMS) 데이터를 기술한 논문의 수석 저자이다.

네온의 존재해도 불구하고 그 빛이 보이지 않는 것은 달의 대기가 지구 해발고도 대기에 비교하여 100조배나 희박하기 때문이다.

 

지구처럼 고밀도의 대기를 가지고 있는 천체가 태양계에서 상대적으로 드문 이유는 태양계 천체들이 대부분 대기를 유지할 수 있을 정도로 충분한 중력을 행사할만큼 무겁지 않기 때문이다.

 

고밀도 대기에서라면 원자와 분자간의 충돌이 충분히 발생할 수 있게 된다.

그러나 기술적인 용어로서 외기권으로 불리는 달의 대기는 너무나 얇아서 원자들의 충돌은 좀처럼 일어나지 않는다.

 

외기권은 태양계에서 가장 일반적인 유형의 대기권이며 따라서 과학자들은 외기권의 특성에 많은 흥미를 가지고 있다.

 

베나는 인류에 의해 탐사가 지속되어 달의 외기권이 오염되기 전에 그 특성을 제대로 알아내는 것이 매우 중요하다고 말했다.

달의 대기가 매우 희박하다보니 탐사선의 로켓이 소모하고 배출한 가스도 쉽게 달의 조성을 바꾸어버릴 수 있다는 것이다.

달의 외기권 중 상당부분은 태양 표면으로부터 시속 160만 킬로미터의 속도로 우주공간으로 불려나와 전기적으로 유도된 가스의 얇은 흐름인 태양풍으로부터 유래하고 있다.

태양풍은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져 있지만 네온을 포함한 다른 원소들도 소량씩 포함되어 있다.

 

달에 부딪히는 모든 원소 중에 오직 헬륨과 네온, 아르곤만이 우주 공간으로 되빠져나가기 쉬운 휘발성을 가지고 있다.

나머지 원소들은 달 표면에 뒤섞여 남아있게 될 것이다.

 

LADEE의 NMS는 이번에 달의 외기권이 주로 헬륨과 아르곤, 네온으로 구성되어 있다는 것을 알아냈다.

각 원소의 양이 증가하는 시점은 달의 하루 시간대에 따라 달라지는데 아르곤의 경우는 해뜰녁에 가장 많이 증가하고 네온은 오전 4시경, 그리고 헬륨은 오후 1시경에 가장 많이 존재한다.

이러한 가스들의 분포를 7개월에 걸쳐 체계적으로 측정한 결과 연구팀은 이 가스들이 어떻게 외기권에 공급되고 어떻게 손실되는지를 알 수 있게 되었다.

 

NMS의 관측 데이터는 달의 외기권을 구성하는 대부분의 성분이 태양풍으로부터 유래했지만 게중 일부는 달의 암석들로부터 생겨났다는 것을 알려주었다.

 

아르곤 40의 경우는 암석질 행성의 바위에서 일반적으로 발견되는 칼륨 40의 방사성 붕괴로부터 발생한 것이다.

 

베나의 설명은 다음과 같다.
"우리는 아르곤 40 이 특정 지역 상공에 몰려 있다는 사실을 알고 정말 많이 놀랐습니다.
이 지역에는 비의 바다와 폭풍의 바다가 포함되어 있죠.
왜 이처럼 특정 지역에 아르곤 40 이 강하게 몰려있는지는 여전히 명확하게 이해되지는 않고 있습니다.
이 지역이 칼륨 40 이 가장 풍부하게 존재하는 지역이라는 점을 알려주는 것은 아무것도 없죠.
그저 대기상의 아르곤이 이곳 표면의 칼륨과 해당 지역 내부의 성분과 무언가 관련성이 있지 않을까를 추정해 볼 수 있는 정도죠."
 
아르곤의 행동 양상에 있어 또 하나 놀라운 점은 달의 외기권에서 그 양이 항상 일정하지도 않다는 것이다.

LADEE에 의한 데이터 수집이 진행되는 동안 약 25퍼센트 수준의 감소와 증가가 포착되었다.

베나는 이러한 변화가 달에 가해지는 중력작용에 의해 표면에서 분출되는 가스의 양이 변화되기 때문일 것으로 예상하고 있다.

 

NMS의 데이터는 또한 외기권에 예상치 못한 원천에서 발생한 헬륨이 있음을 알려주었다.

 

베나의 설명은 다음과 같다.
"약 20퍼센트의 헬륨은 달 스스로 만들어낸 것입니다.  아마도 달의 암석에서 발견되는 토륨이나 우라늄의 방사성 붕괴에서 발생한 것으로 보입니다."
 
이러한 헬륨의 양은 표준 대기압력상태로 봤을 때 초당 7리터에 맞먹는 비율로 생성되고 있다.

 

베나의 설명은 다음과 같다.
"NMS가 수집한 데이터는 달의 외기권에 녹아 있는 헬륨과 아르곤의 발생원천과 관련된 오랜동안의 질문에 대답해주고 있습니다.
이 질문은 40여년간 여전히 의문으로만 남아 있는 상태였죠.
이번 발견은 현재의 외기권 모델의 한계를 말해주고 있으며 향후 좀더 상세한 연구가 필요한다는 점을 말해주고 있는 것입니다." 

 

2013년 9월 버지니아 왈롭스 비행센터에서 발사된 LADEE는 2013년 10월 6일부터 달 궤도를 돌고 있으며 11월 10일부터는 과학데이터를 수집하기 시작했다.

LADEE가 달 적도 지역의 과학탐사 공전궤도에 진입한 것은 2013년 11월 20일이었으며 2014년 3월에는 100일간의 주요 과학탐사를 성공적으로 마친 후 확장된 탐사임무를 수행하게 되었다.

탐사 궤도 유지 및 조종을 위한 연료가 모두 고갈된 후 LADEE는 2014년 4월 17일 달표면에 의도적으로 충돌함으로써 임무가 종료되었다.

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2015년 8월 17일 News Release
        http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=49662

 

참고 : 다양한 달의 풍경 등 달에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.    
           https://big-crunch.tistory.com/12346939

 

 

원문>

NASA's LADEE Spacecraft Finds Neon in Lunar Atmosphere

17 Aug 2015

 

(Source: NASA)

The moon's thin atmosphere contains neon, a gas commonly used in electric signs on Earth because of its intense glow. While scientists have speculated on the presence of neon in the lunar atmosphere for decades, NASA's Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) spacecraft has confirmed its existence for the first time.

"The presence of neon in the exosphere of the moon has been a subject of speculation since the Apollo missions, but no credible detections were made," said Mehdi Benna of NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland and the University of Maryland, Baltimore County. "We were very pleased to not only finally confirm its presence, but to show that it is relatively abundant." Benna is lead author of a paper describing observations from LADEE's Neutral Mass Spectrometer (NMS) instrument published May 28 in Geophysical Research Letters.

There's not enough neon to make the moon visibly glow because the moon's atmosphere is extremely tenuous, about 100 trillion times less dense than Earth's atmosphere at sea level. A dense atmosphere like Earth's is relatively rare in our solar system because an object has to be sufficiently massive to have enough gravity to hold onto it.

The behavior of a dense atmosphere is driven by collisions between its atoms and molecules. However, the moon's atmosphere is technically referred to as an exosphere because it's so thin, its atoms rarely collide. Exospheres are the most common type of atmosphere in our solar system, so scientists are interested in learning more about them. "It's critical to learn about the lunar exosphere before sustained human exploration substantially alters it," Benna said. Since the moon's atmosphere is so thin, rocket exhaust and outgassing from spacecraft could easily change its composition.

Most of the moon's exosphere comes from the solar wind, a thin stream of electrically conducting gas blown from the surface of the sun into space at around a million miles per hour. Most of the solar wind is hydrogen and helium, but it contains many other elements in small amounts, including neon. All these elements impact the moon, but only helium, neon, and argon are volatile enough to be returned back to space. The rest of the elements will stick indefinitely to the moon's surface.

The LADEE NMS instrument confirms that the moon's exosphere is made up of mostly helium, argon, and neon. Their relative abundance is dependent on the time of day on the moon--argon peaks at sunrise, with neon at 4 a.m. and helium at 1 a.m. The instrument conducted systematic measurements of these gases for seven months, which allowed the team to understand how these gases are supplied to the exosphere, and how they are ultimately lost.

While most of the lunar exosphere comes from the solar wind, NMS showed that some gas comes from lunar rocks. Argon-40 results from the decay of naturally occurring radioactive potassium-40, found in the rocks of all the terrestrial planets as a leftover from their formation.

"We were also surprised to find that argon-40 creates a local bulge above an unusual part of the moon's surface, the region containing Mare Imbrium and Oceanus Procellarum," said Benna. Although the reason for this local enhancement is not yet understood, one could not help to notice that this region happens to be the place where potassium-40 is most abundant on the surface. So there may be a connection between the atmospheric argon, the surface potassium and deep interior sources," said Benna.

A second surprising behavior of argon was that the overall amount in the lunar exosphere was not constant over time. Instead, it increased and then decreased by about 25 percent during the course of the LADEE mission. According to Benna, this transient source of argon may be the result of enhanced outgassing from the surface that is triggered by tidal stress on the moon.

NMS also revealed an unexpected source of some of the helium in the lunar exosphere. "About 20 percent of the helium is coming from the moon itself, most likely as the result from the decay of radioactive thorium and uranium, also found in lunar rocks," said Benna. This helium is being produced at a rate equivalent to about seven liters per second at standard atmospheric pressure.

"The data collected by the NMS addresses the long-standing questions related to the sources and sinks of exospheric helium and argon that have remained unanswered for four decades," said Benna. "These discoveries highlight the limitations of current exospheric models, and the need for more sophisticated ones in the future."

Launched in September 2013 from NASA's Wallops Flight Facility in Virginia, LADEE began orbiting the moon Oct. 6 and gathering science data Nov. 10. The spacecraft entered its science orbit around the moon's equator on Nov. 20, and in March 2014, LADEE extended its mission operations following a highly successful 100-day primary science phase. LADEE lacked fuel to maintain a long-term lunar orbit or continue science operations and was intentionally sent into the lunar surface, impacting the moon on April 17, 2014. The spacecraft's orbit naturally decayed following the mission's final low-altitude science phase.

For more information about the LADEE mission, visit:

http://www.nasa.gov/ladee

 

---

William Steigerwald
NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland
William.A.Steigerwald@nasa.gov