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- 지금까지 이 바다는 단단하고 얼어붙은 것으로 생각
- NASA의 카시니 우주 탐사선은 비행 중에 미마의 비정상적으로 뚜렷한 해방 감지
- 미마스의 지각 아래에 있는 젊고 액체인 바다

토성의 위성 미마스에는 바다가 있다.
얼음 달의 지각 아래에 아직 어린 빙하 바다가 있다.

토성의 위성 미마스(Mimas)는 얼음 껍질 아래에 액체 물로 이루어진 젊은 바다를 숨길 수 있었다. 지금까지 이 바다는 단단하고 얼어붙은 것으로 생각했다. 그러나 달의 흔들림과 궤도의 미묘한 변화는 그 안에 액체 상태의 물이 있음을 나타낸다고 천문학자들은 네이처(Nature)지에 보고했다. 그들의 분석에 따르면 미마스 빙하 바다는 아직 매우 어리며 아마도 2500만~200만 년 전에 형성되었을 것으로 추정된다. 이것은 또한 태양계의 다른 얼음 위성에 새로운 빛을 비춰준다. 

▲ 토성의 위성 미마스(Mimas)의 얼음 표면 아래에 젊은 빙하 바다가 숨겨져 있을 수 있다. © Frédéric Durillon, Animea Studio/Observatoire de Paris – PSL, IMCCE

토성의 달 엔셀라두스든, 목성의 위성 유로파와 가니메데든, 천문학자들은 이제 태양계의 몇몇 얼음 위성에서 빙하 바다의 증거를 발견했다. 다른 위성과 왜소행성 명왕성에도 액체 수층水層이 있을 것으로 의심된다. 달은 근처 행성의 중력이 달 내부를 통과하는 조석력으로부터 필요한 열을 받는다. 암석 핵의 방사성 붕괴는 천체 내부를 가열할 수도 있다.

미마스 안에는 무엇이 숨겨져 있나요?

그런데 토성의 위성 미마스는 어떻게 생겼나? 토성의 가장 안쪽에 있는 더 큰 위성 역시 강력한 조석력에 노출되어 있다. 그럼에도 불구하고 그는 빙하 아래 바다가 존재할 가능성은 거의 없다고 생각했다. 직경이 "고작" 400km인 미마스는 다소 작으며 얼음 표면에는 균열이나 기타 동적 변화의 징후가 없다. "따라서 미마스는 전 세계의 바다를 찾을 가능성이 거의 없는 곳이다"고 파리 소르본 대학 천문대의 Valery Lainey와 그의 동료들은 설명했다.

Mimas의 가장 눈에 띄는 특징은 이와 반대다: 허셜Herschel 분화구, 이것은 달 표면의 거의 3분의 1을 차지하며 미마를 스타워즈 시리즈에 나오는 "데스 스타"와 유사하게 만든다. 토성의 달의 얼음 표면 아래에 액체 바다가 있었다면 허셜 분화구는 이런 고전적인 모양을 가지지 않았을 것이다. 적어도 그것이 일반적인 가정이다.

평평한 코어 또는 빙하 바다?

그러나 한 가지 관찰은 그림에 맞지 않는다. NASA의 카시니 우주 탐사선은 비행 중에 미마의 비정상적으로 뚜렷한 해방을 감지했다. 이것은 고정된 회전으로 중앙 몸체를 공전하는 위성의 약간의 흔들림이다. 지구의 달도 그러한 광채를 보여준다. 그러나 미마스에서 이 흔들림은 작은 암석 핵을 가진 얼음 달에서 예상되는 것보다 더 강하다. 

▲ 미나스는 엔셀라두스와 디오네보다 토성에 더 가깝지만 이전에는 완전히 단단하고 얼어붙은 것으로 여겼다. © NASA/JPL

Lainey와 그의 동료들은 “미마스의 핵이 매우 길거나 전 지구적인 빙하 바다를 가지고 있을 것이라는 결론이 내려졌다”고 설명했다. 2017년 초에 일부 행성 연구자들은 미마스의 지각 아래에 액체 상태의 물이 있을 수도 있다는 가능성을 적어도 배제하지 않았다. 그러나 그들의 시나리오는 여전히 논란의 여지가 있었다.

미마스의 궤도가 뒤로 이동한다
이 질문에 답하기 위해 Lainey와 그의 팀은 이제 Mimas의 내부 작동을 형성하는 또 다른 요소인 궤도의 세차운동을 조사했다. 이것은 행성 조석력의 영향을 받아 달 궤도의 가장 먼 지점인 근점의 점진적인 변위를 설명한다. 천문학자들은 카시니 우주 탐사선의 전체 임무 기간의 천문 데이터를 평가하고 이를 사용하여 미마스 궤도의 세차운동 정도와 방향을 결정했다.

놀라운 결과는 다음과 같다. “카시니 임무 기간 우리는 영하 9.4km의 궤도 이동을 측정했다”고 천문학자들은 보고했다. 따라서 미마의 궤도 타원은 궤도 방향과 반대 방향으로 뒤로 이동한다. 흥미로운 점은 이러한 음(minus)의 세차운동은 일반적으로 달의 중력장이 다소 길어질 때 발생한다는 것이다. 그리고 이것은 매우 평평한 핵 또는 앞뒤로 출렁이는 액체 바다로 설명될 수 있다.

그러나 어느 것이 Mimas에 적용될까? Lainey와 그의 팀은 추가 모델 시뮬레이션을 통해 이를 테스트했다. 이는 단단하고 평평한 코어가 측면으로 확장되어 가장자리가 미마스의 표면을 뚫어야 한다는 것을 보여주었다. 천문학자들은 “이것은 관측과 양립할 수 없다”고 말한다. “확고한 미마스 가설은 우리를 막다른 골목으로 몰아넣는다.”

미마스의 지각 아래에 있는 젊고 액체인 바다

그러나 연구팀이 모델에 액체 바다를 삽입하자 상황은 완전히 달라졌다. 깊이가 약 25~30km라면 미마스의 축성과 세차운동을 모두 설명할 수 있다. 흥미롭게도 엔셀라두스나 목성의 위성 유로파와는 달리 미마스 내부의 액체층은 비교적 새로운 성과임에 틀림없다. 천문학자들이 설명하는 것처럼, 이것은 토성 달의 여전히 편심 궤도에 의해 뒷받침된다.

그 이유는 시간이 지남에 따라 액체 내부를 가진 천체의 궤도가 점점 더 원형이 되고 중심에 위치하게 되기 때문이다. 그러나 미마스는 여전히 토성 주위를 상당히 편심적으로 공전하고 있다. 그러므로 그의 바다는 이러한 조절 효과를 발휘할 충분한 시간이 없었다. Lainey와 그의 동료들은 “그러므로 바다는 2,500만 년 미만의 나이를 갖고 있으며 여전히 진화하고 있음에 틀림없다”고 썼다. 그들의 시뮬레이션에 따르면, 토성의 달의 빙하 아래 바다는 최대 200만년 젊을 수도 있다.

이 작은 나이는 왜 미마스 표면에 이 바다의 눈에 띄는 흔적이 없는지, 그리고 왜 허셸 분화구가 다르게 보이지 않는지 설명할 수 있다. 그것은 빙하 아래 바다가 형성되기 오래 전에 형성되었다.

녹는 원인은 무엇일까?

그런데 토성의 달 내부 얼음이 최근에야 녹은 이유는 무엇일까? 천문학자들에 따르면 이에 대한 몇 가지 잠재적인 원인이 있다. 당시 중력 난류로 인해 미마스와 토성의 다른 큰 달들의 궤도가 바뀌어 서로 더 큰 공명을 이루게 되었고 미마스의 궤도는 일시적으로 더욱 편심하게 되었다. 이로 인해 더 강한 조석력이 발생하고 달 내부가 가열됐다.

이전에 존재했던 토성의 또 다른 달의 붕괴는 추가 설명을 제공할 수도 있다. "최근 토성의 달의 손실이 토성과 아직 어린 고리의 경사도를 설명할 수 있다는 것이 제안되었다"고 Lainey와 그의 동료들은 보고했다. 이 달의 파괴는 중력 난류를 촉발했을 수 있으며, 이로 인해 미마스 궤도의 이심률이 일시적으로 증가했다.

바다와 함께 더 많은 얼음 달이 있나요?

미마스에 바다가 존재할 가능성이 있다는 사실은 얼음 세계에도 빙하 바다가 어디에, 어떻게 존재할 수 있는지에 대한 새로운 시각을 제시한다. SETI 연구소의 Matija Cuk와 콜로라도 남서부 연구소의 Alyssa Rhoden은 Nature지에 실린 논평에서 “비교적 작고 얼음이 많은 달에도 어린 바다가 있을 수 있다는 생각은 고무적이다”며 "해양 세계 목록에 미마스를 추가하면 그러한 달의 모습에 대한 일반적인 그림도 바뀌게 된다"고 썼다.

태양계의 다른 얼음 위성에도 숨겨진 바다가 있을 수 있다. Cuk와 Rhoden은 “태양계에는 여전히 놀라운 일이 기다리고 있으며 연구자들은 새로운 아이디어와 예상치 못한 가능성에 열려 있어야 한다”고 말했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-023-06975-9)
출처: Nature

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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