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소피아(SOFIA)적외선 방원경으로 탐지. 물분자 스펙트럼 6마이크로미터 파장 적외선 신호.
레골리스(regolith, 표토층)과 암석에 물분자 형태로 결합. 4만㎢에 걸쳐 펼쳐진 물의 얼음.

달에서 물을 구할 수 있다.
달의 양지바른 쪽에도 얼음과 결합된 물 분자가 있을 것.

미래의 달 임무 수행을 위한 물 :
달에는 이전에 생각했던 것보다 더 많은 물이 있다.
물 얼음은 큰 극지 분화구뿐만 아니라 총면적이 4만 평방 킬로미터가 넘는 수많은 작은 그림자 지역에서도 발생하기 때문이다. 또한 암석에 결합된 일부 물은 하이드록실(OH) 대신 물분자(H2O)로 존재한다. 연구자들이 "Nature Astronomy"에서 보고한 내용이다.

▲ 달에는 예상보다 더 많은 물이 숨겨져있을 수 있다. 레골리스와 그 표면의 수많은 그림자 영역에 숨겨져 있다. © NASA

달은 생각했던 것보다 덜 건조하다는 것이 오랫동안 분명해졌다.
우주 탐사선 데이터에 따르면 극지방의 깊고 영구적으로 그늘진 분화구와 일부 용암 동굴에도 미터 두께의 얼음 퇴적물이 있다. 달 regolith(레골리스, 표토층)에서 물은 hydroxyl(OH)의 형태로 결합돼 있으며 이것은 아마도 낮에도 가능하다.

OH 대신 H2O

미래의 달 탐사를 위해 더 쉽게 접근할 수 있고, 더 널리 분포된 물 얼음이 달 바위와 결합된 물분자(H2O)의 형태라면 더 유익할 것이다. 두 연구팀이 지금 발견했듯이 이것은 사실인 것 같다. 곧 다시 달에 우주 비행사를 보내거나 심지어 달 관측소를 건설할 계획에 대한 전망이 좋다.

첫 번째 좋은 소식은 SOFIA(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) 항공기 망원경에서 나았다.
마노아(Manoa)에 있는 하와이 대학의 케세이 호니발(Casey Honniball)과 팀은 이를 사용해 달 표면에서 6μm(마이크로 미터) 파장 범위의 적외선을 스캔했다.
“물 분자의 근본적인 진동은 다른 하이드록실 화합물과 공유되지 않는 6마이크로 미터에서 스펙트럼 신호를 생성한다”고 연구원들은 설명했다. 이것은 물분자가 OH 분자와 구별되도록 한다.

축구장에 퍼져있는 탄산음료 캔 용량

극 위도에서 달 표면은 실제로 파장이 6μm 범위의 적외선을 방출한다는 것이 밝혀졌다. Honnibal과 그녀의 동료들은 “우리의 비교 결과를 바탕으로 이 신호를 물분자 존재에 기인한다”고 보고했다.
그들의 계산에 따르면, 달 표토층은 고위도에서 암석 1g 당 약 100~400μg(마이크로 그램)의 H2O를 포함할 수 있다.

▲ 마이크로미터(µm) 대역 중심 주파수 분포. 달, 운석 및 MORB 스펙트럼의 6 µm 밴드 중심과 Falk6의 결정 성 수화물 H–O–H의 관측된 중심 위치. 자료: 관련 논문 Fig.1

독일 항공 우주 센터(DLR)의 공동 저자 알레산드라 로이(Alessandra Roy)는 “SOFIA가 발견 한 물의 양은 축구장 표면에 퍼져있는 0.33리터 음료 캔의 내용물과 대략 일치한다. 달은 지구상의 사막보다 건조한 상태로 남아 있지만 발견되는 물의 양은 미래의 우주 비행 임무에 여전히 중요할 수 있다"고 말했다.

▲ SOFIA 적외선 망원경으로 레골리스에서 H2O 분자의 신호를 감지했다. © NASA/ Daniel Rutter

레골리스에 숨겨진 것

수수께끼의 질문은 이 분자 물이 어떻게 달을 붙잡을 수 있는가이다.
Honniball은 “조밀한 대기가 없다면 태양이 비치는 달 표면의 공간으로 물을 잃어버려야 할 것이다. 낮에는 표면이 120도까지 가열되기 때문이다. 또한 보호없이 태양 및 우주 복사에 노출되기 때문에 물 분자는 상대적으로 빠르게 광화학적으로 분해되어야 한다”고 설명한다.

"하지만 어쨌든 우리는 그것을 본다"고 Honniball이 말했다. “무언가 이 물을 생산해야 하고 어딘가에 갇혀 있어야 한다.”
연구원들은 H2O 분자가 레골리스의 과립이나 강한 방사능으로부터 보호되는 작은 암석 구멍에 숨겨져 있다고 의심한다. SOFIA가 수집한 데이터는 이를 뒷받침한다.

차가운 함정 속의 물 얼음

그러나 이것이 달의 유일한 물 공급원은 아니다.
물의 얼음은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 풍부할 수 있다.
그들은 차가운 함정 역할을 하는 영구적으로 그늘진 달의 구역이 어디에 얼마나 자주 있는지, 그리고 물 얼음이 달의 낮에도 더 오래 머무를 수 있는지 조사했다.

이를 명확히 하려고 하이네(Hayne)와 그의 팀은 NASA의 Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO)의 데이터를 사용해 달 지형과 그곳에서 발생하는 온도에 대한 상세한 모델을 만들었다. 이것으로부터 그들은 달에 1km에서 1cm 사이의 크기 범위에 잠재적으로 얼어붙은 차가운 함정이 몇 개 있는지 결정했다.

<연구원들이 달의 물을 추적하는 방법. © NASA / NASA / Ames 연구 센터>

4만㎢에 걸쳐 펼쳐진 물의 얼음

그 결과, 달 표면의 0.15%가 영구적으로 그림자 속에 있다.
지구 위성의 높은 위도에 있는 셀수 없이 작고 더 큰 그림자 영역에 분포되어 있다.
이 중 약 2/3는 얼음 침전물을 찾을 수 있을 만큼 추울 수 있다.

전체적으로 달 표면의 약 4만 평방 킬로미터는 그러한 차가운 함정으로 덮일 수 있다.

이는 이전에 가정했던 것보다 두 배나 좋은 수치다.

"우리가 옳다면 미래의 달 탐사를 위한 물은 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 접근할 수 있을 것이다"고 Hayne은 말했다. "우주 비행사는 분화구의 어둡고 깊은 그림자 속으로 내려갈 필요가 없지만 1m 크기의 그림자 영역을 찾기 만하면 된다. 얼음이 있을 가능성이 크다.“
(Nature Astronomy, 2020; doi : 10.1038 / s41550-020-01222) -x; doi : 10.1038 / s41550-020-1198-9)

출처 : NASA, German Aerospace Center (DLR), University of Colorado Boulder 

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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