목성의 깊은 대기를 관측하다

CREDITS: NASA, ESA, and M.H. Wong (UC Berkeley) and team
사진 1>
목성의 대적반을 담은 이 사진들은 2018년 4월 1일 허블우주망원경과 제미니천문대의 관측 데이터를 기반으로 만들어진 것이다. 
천문학자들은 두 개의 관측 설비로 거의 동시에 수집된 데이터를 합쳐 대적반에 보이는 검은 구조물들이 특정 물질 덩어리가 아니라 구멍이라는 사실을 알아낼 수 있었다. 
상단 왼쪽과 하단 왼쪽 사진 : 허블우주망원경이 촬영한 가시광선 사진으로서 대적반 내에 태양빛을 반사해 내고 있는 구름들 사이로 검은 구조물들이 보인다. 
상단 우측 : 동일한 지역을 제미니천문대에서 촬영한 열적외선 사진으로 적외선 에너지로 방출되고 있는 열을 볼 수 있다. 구름이 겹쳐진 차가운 지역은 검게 보인다. 하지만 구름이 없는 청명한 지역은 좀더 따뜻한 아래층으로부터 올라오는 적외선 복사로 밝게 보인다. 
하단 중앙 : 허블우주망원경이 촬영한 자외선 사진으로서 대적반 상공의 연무로부터 반사되는 태양빛을 볼 수 있다. 
이 연무들이 푸른 빛을 흡수해 버리기 때문에 가시광선으로 바라본 대적반은 붉은 색으로 보인다. 
허블우주망원경이 수집한 데이터는 이 연무들이 상대적으로 짧은 적외선 파장까지 흡수하고 있음을 알려주었다. 
하단 우측 : 허블우주망원경과 제미니천문대의 관측데이터를 합성한 다파장 사진으로서 가시광선은 파란색으로, 열적외선은 빨간색으로 표시되어 있다.  이렇게 연결된 관측 데이터는 적외선으로 밝게 빛나는, 구름이 없는 청명한 지역을 보여준다. 이곳은 목성 내부로부터 발생하는 열을 차단하는 구름이 상대적으로 적은 곳이다. 
허블우주망원경과 제미니천문대의 관측은 주노 우주선의 12번째 목성통과 관측을 지원하기 위해 광대역 화각을 제공하는 차원에서 이루어졌다. 

허블우주망원경과 하와이 제미니천문대가 태양계에서 가장 거대한 폭풍을 탐사하기 위해 목성 궤도를 돌고 있는 주노 우주선과 팀을 이뤘다. 
이번 탐사는 거대행성 목성에서 8억 킬로미터나 떨어진 거리에서 이루어졌다. 

 

캘리포니아 대학 마이클 웡(Michael Wong)이 이끄는 연구팀은 고다드우주비행센터의 에이미 사이먼(Amy Simon), 버클리주립대학 임케 드 파터(Imke de Pater)와 함께 허블우주망원경과 제미니천문대에서 획득한 다파장 데이터를 목성 궤도에 있는 주노 우주선의 관측 데이터와 결합하여 목성의 파괴적인 기상에 대한 새로운 통찰을 얻을 수 있었다. 
웡은 목성의 대기가 어떻게 작용하는지 알고자 하는 것이 목적이라고 말했다. 
이러한 목적에 주노 우주선과 허블우주망원경, 제미니천문대가 함께한 것이다. 

라디오파 불쇼

목성에는 항상 어마어마한 규모의 폭풍이 몰아치고 있다. 
이곳의 적란운은 상층까지 무려 64킬로미터에 달하는 높이를 갖는다. 
이는 지구에서 발생하는 전형적인 적락운보다 무려 5배나 큰 수치이다. 
또한 목성에서 일상적으로 발생하는 번개가 가지는 에너지는 지구에서 가장 강력한 번개인 초전광(superbolt)의 3배에 달한다. 

목성의 번개는 지구와 마찬가지로 라디오 송신기처럼 작용한다. 번개가 치면 가시광선 뿐 아니라 라디오파도 발생하는 것이다. 

 

주노 우주선은 매 53일마다 이 폭풍계에 가까이 다가선 저궤도에 도달하여 공전잡음(sferics)과 전자기파잡음(whistlers)으로 알려진 라디오파를 감지한다. 
이렇게 수집된 자료는 목성의 주간반구와 이러한 잡음이 아니라면 알 수 없는 깊은 구름층의 섬광까지도 포함된 번개지도를 만드는데 사용된다. 
이러한 주노 우주선의 궤도 공전에 맞춰, 허블우주망원경과 제미니천문대는 고해상도로 목성 전역을 촬영하였다. 
허블우주망원경과 제미니천문대의 관측 자료는 주노 우주선의 근접 관측 자료를 해석하는데 핵심적인 역할을 한다. 
에이미 사이먼의 설명은 다음과 같다.
"주노 우주선의 마이크로파 전파강도계는 두꺼운 구름층을 꿰뚫어볼 수 있는 고주파 라디오파를 감지함으로써 이 행성의 대기를 탐사합니다. 허블우주망원경과 제미니천문대의 관측 자료는 이때 목성의 두꺼운 구름들이 어떤 상태였으며 
구름 속을 얼마나 깊숙히 들여다보았는지 말해주죠." 

 

CREDITS: NASA, ESA, and M.H. Wong (UC Berkeley)
사진 2> 
목성을 가시광선으로 담아낸 이 사진은 2017년 5월 19일 허블우주망원경에 장착된 WFC3로 촬영된 것이다.  
이 사진은 주노우주선의 6번째 목성통과관측과 동시에 촬영되었다.  
이 광대역 사진은 훨씬 가까운 거리에서, 훨씬 세밀한 관측을 수행한 주노우주선의 관측 데이터를 전체적인 맥락으로 해석하는데 사용된다.  

천문학자들은 주노우주선이 탐지한 번개섬광을 허블우주망원경이 촬영한 가시광선 사진 및 제미니천문대에서 동시에 촬영된 열적외선 사진과 매핑하여 목성의 번개를 목성의 3방향 복합 구름구조와 연계해 볼 수 있게 되었다. 
목성의 3방향 복합 구름구조는 물로 이루어진 깊은 구름과 목성의 적란운과 연계된 상승하는 수증기에 의해 촉발된 거대한 대류가 만들어낸 기둥, 그리고 이 기둥의 외곽에서 건조해진 대기의 하강으로 촉발되는 청명한 지역으로 구성되어 있다. 
허블우주망원경의 관측 데이터는 거대한 대류가 만들어낸 기둥 속, 두꺼운 구름들의 높이와 함께 물로 이루어진 구름의 깊이를 보여준다. 
제미니천문대의 데이터는 높은 고도의 구름 틈 사이사이 청명한 지역을 명확하게 드러내주고 있다. 

 

웡은 번개가 이른바 포개진 구름다발지역(folded filamentary regions)이라는 격렬한 폭풍이 발생하는 지역에서는 일상적으로 일어나는 것이며 이는 이 지역에서 습기가 많은 대류가 상시적으로 발생하고 있음을 말해주는 것이라고 생각한다. 
웡의 설명은 다음과 같다.  
 "이 소용돌이들은 에너지 굴뚝일수 있습니다. 
  이들은 대류를 통해 목성 내부의 에너지가 분출되도록 도와주고 있죠. 
  이러한 일은 어디서나 일어나는 일은 아닙니다. 
  회오리폭풍과 관련된 무언가가 대류가 일어나도록 부추기고 있는 것 같습니다."

번개를 대기 깊숙히 있는 물로된 구름과 연관시키는 능력은 천문학자들이 목성 대기에 존재하는 물의 양을 측정할 수 있는 또다른 도구가 되기도 한다. 
목성 대기에 존재하는 물의 양은 목성을 비롯한 차가운 가스 행성들이 어떻게 형성되었는지, 그래서 결국 우리 태양계 전체가 어떻게 형성되었는지를 이해하는 중요 지점이기도 하다. 
예전부터 여러 우주 탐사를 통해 목성에 대한 많은 정보들이 모아지긴 했지만 목성의 대기 깊숙한 곳에 얼마나 많은 물들이 있는지, 목성의 내부에서 정확히 어떻게 열기가 흘러나오는지, 구름 속에 특정한 색이나 형태가 나타나는 이유가 무엇인지를 포함한 여러 세부적인 내용들은 여전히 수수께끼로 남아 있다. 
이번에 수행된 협업관측 결과는 목성 대기의 역학과 삼차원구조에 대한 통찰을 제공해 주고 있다. 

 

할로윈 호박등처럼 보이는 대적반

주노 우주선의 탐사 임무가 수행되는 동안 허블우주망원경과 제미니천문대는 좀더 자주 목성을 탐사하고 있다. 
과학자들은 이를 통해 대적반 안에서 발생하는 것과 같은 좀더 짧은 주기의 변화와 짧은 시간 나타났다 사라지는 구조들을 연구하고 있다. 
주노우주선이 촬영한 사진을 포함하여 이전에 수집된 목성 관측 사진들은 목성 대적반 안에 검은 구조들이 있다는 것을 알려주었다. 
이들은 새로 나타나기도 하고 사라지기도 하며 지속적으로 그 형태가 변하기도 한다. 
개별 사진으로는 이 구조가 높은 구름층 내에서 그 원인을 알 수 없는 어두운 색깔의 물질들에 의해 만들어지는 것인지 
아니면 좀더 깊숙하고 어두운 층을 내려다볼 수 있는 구멍인지 명확하게 알아낼 수 없었다. 
하지만 지금은 허블우주망원경의 가시광선 사진과 제미니천문대에서 촬영된 열적외선 사진의 비교를 통해 이 구조의 정체가 무엇인지를 대답할 수 있게 되었다. 
가시광선에서는 검게 나타났던 지역은 적외선에서는 매우 밝게 나타났다. 
이는 이 검은 구조들이 구름층에 생성된 구멍임을 시사한다. 
목성의 내부에서 생성된 열기는 구름이 없는 지역에서 적외선 형태로 방출된다. 
이곳에 구름이 있었다면 이 복사는 높은 구름에 의해 차단되었을 것이다. 
이 열기가 우주공간으로 뿜어져 나가면서 제미니천문대에서 촬영된 사진에서는 밝게 보였던 것이다. 
웡은 이 모습이 마치 할로윈 축제 때 등장하는 호박등과 같다면서 같은 적외선에서 이렇게 구름이 없는 지역에서는 밝은 빛을 볼 수 있는 반면 구름이 있는 곳은 검게 나타난다고 말했다. 

목성 대기 감시자로서 허블과 제미니천문대 

주노우주선의 임무를 돕기 위한 허블우주망원경과 제미니천문대의 정기적인 목성 관측은 목성에서 바람의 변화 양상, 대기 순환의 특성 규명, 대기 속에 나타나는 다양한 가스의 순환을 포함한 여러 기상현상을 연구하는데 귀중한 자료가 되고 있다. 
허블우주망원경과 제미니천문대는 목성 전체를 모니터링할 수 있다.

이를 통해 주노 우주선의 관측을 돕기위한 다양한 파장의 실시간 기상 지도를 제공해 주고 있다. 
이는 지구 궤도를 공전중인 기상 위성들이 미국해양대기청(NOAA)의 허리케인 관측을 위한 고고도 비행기인 허리케인 헌터스를 위해 정보를 제공해 주는 것과 같다. 

 

사이먼의 설명은 다음과 같다. 
"두 개의 관측장비로 여러 파장을 이용한 고해상도 관측이 정기적으로 이루어지고 있기 때문에 우리는 지금 목성의 기상에 대해 더 많은 것을 알아가고 있습니다. 
이는 마치 기상위성과 같은 역할이라 할 수 있죠. 
우리는 이제 목성의 기상 사이클 연구를 시작할 수 있게 되었습니다."

허블우주망원경과 제미니천문대의 관측자료가 주노의 관측데이터를 해석하는데 중요한 역할을 수행하다보니 웡과 사이먼, 드 파터는 바바라 A. 미컬스키 우주망원경 데이터 아카이브 데이터 센터(the Mikulski Archives for Space Telescopes, MAST)를 통해 모든 데이터를 공유하고 있다. 
웡의 설명은 다음과 같다. 
"중요한 것은 주노 우주선의 관측을 돕기 위해 많은 데이터들이 모아지고 있다는 것입니다. 
 이 데이터들은 우리가 모르는 다른 여러 방면에서도 사용할 수 있을 것입니다. 따라서 우리는 다른 이들이 데이터 처리를 어떻게 하는지 파악할 필요없이 연구를 진행할 수 있도록 처리된 데이터의 공유를 계속해 나갈 것입니다." 

  
이번 연구결과는 2020년 4월 아스트로피지컬 저널 부록시리즈(The Astrophysical Journal Supplement Series.)에 개재되었다. 

CREDITS: NASA, ESA, M.H. Wong (UC Berkeley), A. James and M.W. Carruthers (STScI), and S. Brown (JPL)
표 1> 
이 도표는 주노 우주선과 허블우주망원경, 제미니천문대에서 진행된 목성 구름과 대기 순환의 관측과 해석을 보여주고 있다.  
과학자들은 주노우주선과 허블우주망원경, 제미니천문대의 데이터를 활용하여 목성의 번개섬광이 격렬한 대기양상을 보이는 지역에 집중되어 있음을 알 수 있었다. 
이곳은 물로 이루어진 깊은 구름들이 있고 습한 공기가 솟아올라 적란운과 비슷한 거대한 대류 기둥이 만들어지는 곳이다.  
상단 왼쪽 : 목성 전체의 모습을 가시광선으로 담아낸 사진으로서 이 사진은 2017년 5월 19일 허블우주망원경에 장착된 WFC3로 촬영되었다. 북쪽에 강조되고 있는 지역이 오른쪽에 두 개의 상세한 사진으로 사용되고 있다. 
상단 우측  : 허블우주망원경이 촬영한 사진으로서 목성 대기상의 구름의 높이를 보여주고 있다.  
가시광선과 근적외선에서 다양한 파장의 빛을 반사하고 있는 가장 높은 고도의 구름들은 상대적으로 밝은 색으로 보인다. 깊은 구름일수록 반사해내는 빛이 적어지기 때문에 더 어두워보인다.  
주노 우주선의 마이크로파 전파강도계가 포착한 라디오파 기반의 번개섬광이 청록색으로 보인다.  
중앙 우측 : 2017년 5월 21일, 위 사진과 동일한 지역을 제미니천문대에서 촬영한 사진이다.  
4.7마이크로미터 파장의 열적외선을 보여주고 있다.  
상대적으로 밝은 지역은 구름의 두께가 줄어드는 지역으로서 이곳에서는 목성의 깊은 대기층에서 올라온 열들이 우주 공간으로 빠져나갈 수 있어 상대적으로 더 많은 열복사가 일어난다.  
하단 : 번개와 대류가 만들어내는 기둥, 깊은 대기의 물로된 구름과 사이사이 구름이 없는 청명한 지역을 묘사한 이 그림은 주노 우주선과 허블우주망원경, 제미니천문대에서 수집한 데이터를 기반으로 그려진 것이다.  
복합 관측데이터는 구름의 구조를 3차원으로 그려내는데, 그리고 대기 순환을 상세하게 추론하는데 사용될 수 있다.  
두껍게 쌓아올려진 구름은 습기를 머금은 기류가 상승하는 곳에서 형성된다. 청명한 지역은 메마른 기류가 가라앉는 곳에 생성된다.  
목성의 구름은 상대적으로 대기가 얇은 지구에서 만들어지는 유사한 대류기둥 보다 5배 이상 더 높게 형성된다.  
그림이 담아내고 있는 폭은 미국 대륙보다 1.3배 더 넓다.

 

출처 : 허블사이트 2020년 5월 7일 발표 뉴스
        https://hubblesite.org/contents/news-releases/2020/news-2020-21

참고 : 목성과 목성의 다양한 위성에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
        https://big-crunch.tistory.com/12346946