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* 목성의 위성 가니메드(Ganymed) 지름 5262km, 태양계에서 가장 큰 위성
* 유일하게 쌍극자를 가졌고 극광 생성
* 낮 동안 영하 125도, 수증기는 가니메데의 얇은 가스 외피를 지배

가니메드(Ganymed)는 대기 중에 수증기를 가지고 있다.
목성의 달은 승화된 얼음으로 만들어진 수증기 대기를 가진 최초의 얼음 달이다.

첫 번째 증거:
목성의 위성인 가니메드는 얼음처럼 차갑지만 대기에는 여전히 수증기가 있다.
연구자들이 최근 밝혀냈듯이, 약한 태양 복사는 낮 동안 물 얼음이 표면에서 승화되도록 하기에 충분하다. 이것은 태양계에서 가장 큰 달이 승화식 수증기 대기가 입증된 최초의 얼음 달이 된다. 

▲ 목성의 위성 가니메드(앞면)는 승화된 얼음으로 이루어진 얇은 수증기 대기를 가지고 있다. © ESA/ Hubble, M. Garlick

목성의 위성인 가니메드는 여러 면에서 특별하다.
지름 5262km로 태양계에서 가장 큰 위성이며 수성보다 훨씬 크다. 또한 쌍극자 자기장을 가진 유일한 위성이며 태양풍 대신 목성에 의해 촉발되는 비정상적으로 밝은 극광을 생성하는 것은 태양계에서는 고유하다. 달의 내부는 다양한 종류의 얼음과 물이 교대로 겹겹이 쌓여 있는 철심으로 이루어져 있다.

혼란스러운 불일치

최근 목성의 큰 달에는 또 다른 특별한 특징이 있다는 것이 밝혀졌다.
대기 중에 수증기가 있다는 것이다. 스톡홀름 왕립공과대학(KTH)의 로렌츠 로스(Lorenz Roth)가 이끄는 팀이 지난 20년 동안 허블 우주 망원경의 이미지를 사용해 발견했다.
1998년부터 분광기는 달의 얇은 가스 외피에 있는 들뜬 산소에서 발생하는 UV 방출을 반복적으로 매핑했다.

그러나 연구자들은 이상한 불일치에 직면했다.
허블이 가니메데의 전방 또는 후방을 목표함에 따라 UV 방출의 강도가 변경되었다.
또한 산소에서 파생된 스펙트럼 신호의 두 가지 다른 파장 간에도 차이가 있었다.
"이러한 값은 O2에 대해 예상되는 것과 크게 벗어난다"고 연구원은 기술했다.

▲ 두 가지 다른 UV 파장에서 허블 분광기의 기록. 차이점은 Roth와 그의 팀에게 원인을 찾을 수 있는 기회를 주었다. © NASA, ESA, Lorenz Roth (KTH)

그렇다면 무엇이 다른 UV 방출을 일으켰을까?
이를 찾기 위해 Roth와 그의 팀은 허블 데이터를 다시 분석하고 모델을 사용하여 그 기원을 재구성하려고 했다.

승화된 얼음에서 나오는 수증기

결과:
방정식에 물이라는 다른 분자를 추가하면 스펙트럼 데이터가 의미가 있다.
과학자들의 모델에 따르면 가니메데의 얼음 껍질은 낮의 기온이 영하 125도임에도 불구하고 얼음이 승화되어 수증기로 변할 수 있을 만큼만 가열된다. 특정 시간에 UV 스펙트럼의 편차를 만드는 것은 이 수증기다.

"지금까지는 분자 산소만 관찰되었다"며 "하전 입자가 가니메데의 얼음 표면에 부딪힐 때 발생한다. 반면에 지금 우리가 측정한 수증기는 가열된 얼음 표면에서 승화되어 생성된다”고 Roth는 설명했다.

낮 동안 수증기는 가니메데의 얇은 가스 외피를 지배하고 입방 센티미터당 최대 12억 입자의 밀도에 도달한다. 연구원에 따르면 밤이 되면 물은 다시 얼고 이원자 산소만 기체 외피에 남는다.

<가니메드의 UV 오로라가 수증기의 존재를 밝혀낸 방법. © NASA / GSFC>

두 위성 엔셀라두스(Enceladus)와 유로파(Europa)에서 달라

 

이것은 외부 태양계의 얼음 위성 중에서 가니메드를 특별하게 만든다.
위성 엔셀라두스 또는 유로파도 수증기를 방출하지만 이것은 얼음 지각의 균열을 통해 적극적으로 방출된다. "반면, 우리의 분석은 외부 태양계의 얼음 달에서 승화에 의해 생성된 대기의 증거를 제공한다"고 Roth와 그의 동료들은 보고했다.

새로운 발견은 그러한 얼음 천체의 과정에 대한 귀중한 관점을 제공한다.
동시에, 그들은 유럽 우주국 ESA의 다가오는 JUICE 임무에 대한 링크를 알려준다.
2022년으로 계획된 이 임무에서 우주 탐사선은 목성의 얼음 위성을 구체적으로 탐사하는 것이다. "우리의 결과는 JUICE 팀이 관찰 계획을 최적화하는 데 도움이 될 수 있다"고 Roth는 말했다.
(Nature Astronomy, 2021; doi: 10.1038/s41550-021-01426-9)

출처: NASA, ESA

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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