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- 약 10년 전, 약 20미터 크기 소행성 러시아 첼랴빈스크 상공에서 폭발 약 1,200명 부상
- 먼저 금이 간 다음 잔해 덩어리, 그 다음 터짐
- 유사한 시뮬레이션에서 얻은 지식은 미래 유성 폭발의 결과를 잘 예측하는 데 도움

첼랴빈스키(Chelyabinsk) 유성이 부서진 방법
미국 연구원들이 유성 폭발 과정을 3차원으로 자세히 재구성

하늘에서의 폭발:
약 10년 전, 약 20미터 크기의 소행성이 러시아 도시 첼랴빈스크 상공에서 폭발해 약 1,200명이 부상을 당했다. 이제 미국 연구자들이 처음으로 유성의 분열을 3차원적으로 상세하게 재구성하는 데 성공했다. 그들의 모델링은 덩어리가 여러 단계로 부서졌으며 파편이 상대적으로 넓게 흩어진 이유를 보여준다. 이 발견은 그러한 사건의 결과를 더 잘 예측하는 데 도움이 된다. 

▲ Chelyabinsk 유성이 어떻게 대기권에서 부서졌는지가 이제 연구원들에 의해 3D 시뮬레이션으로 재구성됐다. © 로렌스 리버모어 국립 연구소

2013년 2월 15일 아침 러시아 첼랴빈스크 지역에서 큰 소리와 밝은 불빛이 사람들을 깨웠다. 약 20m 길이의 유성이 공중에서 폭발하여 TNT 100~500킬로톤의 에너지를 방출했다. 폭발로 건물이 손상되고 잔해가 도시와 주변 지역에 쏟아져 수백 명이 부상을 입었다. 이 사건은 지난 100년 동안 가장 치명적인 유성 폭발 중 하나였다.

유성은 어떻게 부서지나?

첼랴빈스크는 유일한 사례가 아니다. 지구 역사 동안 지구 표면까지 안정적으로 유지되지 않고 작은 크기나 높은 다공성으로 인해 대기에서 폭발한 소행성이 종종 있었다. 그 예는 선사 시대부터 1908년의 유명한 Tunguska 사건에 대한 공중 폭발. 그리고 앞으로 더 많은 사건이 있을 것이다. 그런 소행성이 왜, 어떻게 공중에서 폭발하는지, 어떤 요인이 폭발 강도에 영향을 미치는지 정확히 이해하는 것이 무엇보다 중요하다.

그렇기 때문에 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 제이슨 펄이 이끄는 팀이 지난 몇 년 동안 첼랴빈스크 폭발에서 일어난 일에 대한 상세한 3차원 시뮬레이션을 만드는 데 시간을 보냈다. 유체 역학 모델을 기반으로 한 그들의 재구성은 첼랴빈스크 유성의 물질에 대한 잔해에서 얻은 지식과 그 궤적 및 속도에 대한 데이터를 기반으로 한다.

▲ 첼랴빈스크 유성이 대기권을 가로지르면서 점점 파편화되고 있다. © 로렌스 리버모어 국립 연구소

먼저 금이 간 다음 잔해 덩어리, 그 다음 터짐

시뮬레이션 결과:
이러한 유성은 여러 단계로 폭발한다. 첫째, 비행 방향으로 엄청난 힘에 의해 압축되어 암석의 응력이 크게 증가한다. 덩어리의 뒤쪽에서 앞쪽으로 전파되는 균열이 나타난다. 그런 다음 더 큰 파편으로 구성된 유성의 전면에 일종의 버그가 형성되어 이미 심하게 손상된 나머지 덩어리를 일시적으로 보호한다.

이 임시 잔해 보호막은 지표면에서 약 30km 상공에서만 분해되며 나머지 덩어리는 이제 대기의 완전한 역류에 부딪힌다. LLNL의 마이크 오웬(Mike Owen)은 "그 결과 갑자기 훨씬 더 많은 물질이 공기와의 초음속 상호작용에 노출된다"고 설명했다. "갑자기 훨씬 더 뜨거워지고 재료에 대한 응력이 증가하고 모든 것이 훨씬 더 빨리 분해된다. 계단식 프로세스와 같다.“

결과적으로 덩어리는 많은 잔해 조각으로 찢겨지고 그 중 일부는 비행 방향에 수직으로 분출된다. 이 파편 구름은 공기 저항에 의해 빠르게 감속되고 더 작은 조각으로 더 찢어진다.

<3면에서 본 유성 폭발 과정. © 로렌스 리버모어 국립 연구소>

"잔해 더미" 대신 모놀리식 블록

시뮬레이션은 또한 Chelyabinsk 유성이 특히 다공성이 아니거나 느슨하게 잡힌 "잔해 더미"가 아니라는 것을 보여준다. 대신 관찰과 시뮬레이션의 비교는 그것이 거대한 암석 덩어리임을 시사한다. "많은 작은 소행성은 느슨하게 묶인 우주 파편의 축적 일 뿐이므로 그러한 단일체의 행동을 연구하는 것이 더욱 흥미로워진다"고 Pearl은 말했다.

이 시뮬레이션과 유사한 시뮬레이션에서 얻은 지식은 미래 유성 폭발의 가능한 결과를 더 잘 예측하는 데 도움이 될 수 있다. 오웬스(Owens)는 "소행성 공중 폭발이 흔하지는 않지만 공상 과학 소설이라고 무시해서는 안 된다"고 말했다. 따라서 유성 폭발이 임박한 경우 그 결과가 얼마나 심각하고 영향을 받는 지역이 얼마나 큰지 가능한 한 정확하게 아는 것이 더욱 중요하다.

LLNL의 Cody Raskin은 "더 작은 소행성을 탐지하는 우리의 능력은 최근 몇 년 동안 향상되었다"며 "그런 소행성을 발견하면 모델을 실행하고 허리케인 지도에서처럼 위험을 보여줄 수 있다. 이를 바탕으로 당국은 적절한 조치를 시작할 수 있다”고 말했다. 예를 들어, 영향을 받은 지역을 대피시킬 수 있도록 하기 위해 이것은 중요하다.
출처: 로렌스 리버모어 국립 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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