제임스웹 우주망원경이 바라본 토성

Credits: NASA, ESA, CSA, STScI, M. Tiscareno (SETI Institute), M. Hedman (University of Idaho), M. El Moutamid (Cornell University), M. Showalter (SETI Institute), L. Fletcher (University of Leicester), H. Hammel (AURA); image processing by J. DePasquale (STScI)

 

2023년 6월 25일. 
제임스웹 우주망원경은 고리로 유명한 행성, 토성을 겨냥했다.

제임스웹 우주망원경의 근적외선 카메라(Near-Infrared Camera, 이하 NIRCam)로 바라본 토성의 모습은 
연구원들을 매료시키기에 충분했다. 

적외선 파장에서 토성은 아주 어둡게 보인다. 
그 이유는 토성 대기의 메탄 가스가 이 행성의 대기로 떨어지는 햇빛을 흡수해버리기 때문이다. 
하지만 얼음으로 만들어진 고리는 밝게 빛나는데
이러한 조합이 토성의 독특한 모습을 연출해 냈다. 

이 사진은 제임스웹 우주망원경의 관측 프로그램 GO 1247(Guaranteed Time Observation program 1247)의 일환으로 촬영되었다. 
이 프로그램에는 깊은 노출을 이용한 여러 차례의 토성 촬영이 계획되어 있는데,  여러 희미한 위성과 밝은 고리를 제임스웹 우주망원경이 얼마나 제대로 탐지해낼 수 있는지 알아보기 위해 계획된 것이다. 
새로운 위성이 발견된다면 현재의 토성계와 과거의 토성계에 대한 보다 완벽한 그림을 그리는데 도움이 될 것이다. 

이 사진에는 토성의 고리 내부까지 선명하게 담겨있을 뿐 아니라 
토성의 위성인 다이오네, 엔켈라두스, 테티스도 포착되었다.  

 

여기에 담지는 않았지만 좀더 깊은 노출을 사용한 사진을 이용하여

연구팀은 얇은 G고리나 희미하게 퍼져 있는 E고리를 비롯한 눈에 보이지 않는, 상대적으로 희미한 고리들을 살펴볼 수 있게 될 것이다. 

토성의 고리는 다양한 크기의 바위와 얼음 파편으로 구성되어 있다.
이 파편의 크기는 작게는 모래알보다 작은 크기에서 왠만한 지구의 거대한 산과 맞먹는 크기까지 다양하다.  

 

과학자들은 제임스웹 우주망원경을 이용하여 엔켈라두스를 관찰하였으며 
엔켈라두스의 남극에서 터져나오는 거대한 분출을 발견했다.
이 분출물에는 어마어마한 양의 수증기가 포함되어 있는데 이 분출이 토성의 E고리를 만들고 있다. 

토성의 대기에서도 역시 기대이상의 세부 내용을 확인할 수 있었다. 

물론 토성의 대기는 예전에 토성 관측 임무를 수행한 카시니 호에 의해 수집된 훨씬 더 선명한 자료들이 많다.
하지만 제임스웹 우주망원경에서 독보적으로 관측가능한 3.23 마이크로 파장에서의 관측은 이번에 처음 시도된 것이었다. 
이를 통해 토성의 북극 지역에서 위도대에 구획되지 않고 퍼져 있는 검고 거대한 구조를 포착해냈다. 
이 구조는 우리에게 익숙한 토성의 전형적인 대기층의 띠 구조와는 맞지 않는 것이었다. 

이 검은 구조는 구름층 위 성층권의 에어로졸에서 형성된 거대한 규모의 파동을 연상시키는데 
이는 일찌기 제임스웹 우주망원경이 목성에서 관측한 것과 유사한 것일 가능성이 있다. 

이 사진에 담긴 토성의 북반구와 남반구를 비교해보면 토성의 계절적 변화로 알려진 전형적인 현상과는 다른 것이 있다. 
예를 들어 토성은 현재 북반구가 여름을 지나고 있으며 
남반구는 겨울의 끝자락에서부터 어둠에서 벗어나게 된다. 

그럼에도 불구하고 토성의 북극이 특히 검게 나타나는데
이는 특별히 토성 극지방의 에어로졸이 아직 우리가 모르는 계절적 영향을 행사하기 때문인 것 같다. 

사진에서 토성 원반 모서리로 갈수록 밝아지는 현상은

토성의 상층 대기에서 메탄형광 현상이 나타나기 때문인 것으로 추측된다.
이 현상은 메탄이 빛을 흡수한 후 다시 복사해내는 과정을 말하는데 
전리층 또는 상층대기 모두에서 수소3가 양이온(H3+) 으로부터 발생하는 복사 때문일 것으로 추정된다. 

제임스웹의 분광장비를 이용하면 이를 확정할 수 있을 것이다. 

 

토성의 대기는 지난 수십년 동안  파이오니어 11호와 보이저 1호, 보이저 2호, 카시니호와 허블우주망원경 등 다양한 탐사장비를 이용한 연구가 계속되어왔다. 
제임스웹 우주망원경을 이용한 이번 관측은 앞으로 토성의 이야기에 추가될 관측 성과를 예견할 수 있는 작은 힌트일뿐이다. 

출처 : NASA 제임스웹 우주망원경 공식 블로그  2023년 6월 30일 포스팅