토성 탐사선 ‘카시니-하위헌스’
2017년 9월 17일, 토성 탐사선 '카시니-하위헌스(Cassini-Huygens)'가 약 13년에 걸친 탐사 활동을 끝맺었다. 거대 가스 행성인 '토성(Saturn)'의 수수께끼와 그 주변을 도는 많은 위성들의 알려지지 않았던 모습을 밝혀낸 '카시니-하위헌스'의 성과를 살펴보자.
0. 목차
- 카시니-하위헌스
- 토성의 전체 모습
- 토성의 북극에 있는 '육각형 소용돌이'
- 토성의 대기
- 토성와 고리와 위성
- 타이탄(Titan)
- 엔켈라두스(Enceladus)
1. 카시니-하위헌스
토성 탐사선 '카시니(Cassini)'와 카시니에 탑재된 지름 2.7m, 무게 329kg의 소형 탐사선 '하위헌스(Huygens)'에 의한 탐사 계획은 'NASA(미국 항공우주국)'과 'ESA(유럽우주기구)' 공동으로 진행되었다. 카시니는 1997년 10월 14일에 발사되어 2004년 7월에 토성에 도달해 선회 궤도에 투입되었다.
그 후 토성의 대기 조성과 운동, 자기권의 조사, 위성의 지형과 고리 등의 관측을 계속하면서 다양한 성과를 거두었다. 당초 예정되었던 2008년까지의 임무를 무사히 완수한 후에도, 기체나 시스템에 문제가 없었기 때문에 관측을 계속해 최종적으로 13년이라는 긴 시간 동안 활약하게 되었다. 그 결과, 토성이 태양을 일주하는 29년의 약 절반에 해당하는 기간의 데이터를 얻을 수 있었다. 카시니의 관측 기기 대부분은 최후까지 순조롭게 운용되었다. 이는 행성 탐사에서는 매우 드문 일이다.
1-1. 위성 '엔켈라두스'에서 '플룸'을 발견했다.
카시니의 성과 가운데 특히 주목되는 것은 얼음 위성 '엔켈라두스'에서 '플룸(Plume)'의 발견이다. 그 결과 '우주 생물학(Space Biology)'이라는 분야를 확고히 했다. 엔켈라두스' 극 부근에서 힘차게 분출하는 '플룸(연기·수증기 등이 피어오르는 기둥)'은 2005년에 발견되었다. 이 플룸은 물의 얼음과 수증기로 이루어졌으며, 주변보다 100℃ 가까이 고온인 얼음에 갈라진 틈에서 분출했다. 이 플룸에 대해 조사해 액체의 물로 이루어진 바다가 얼음 표면에서 몇 km 지하에 펼쳐져 있을 가능성이 알려진 것이다.
또 카시니의 관찰 결과를 분석한 결과, 풀룸에 수소 가스가 포함되어 있음이 밝혀졌다. 더구나 엔켈라두스에서 분출된 입자로 인해 생겼다고 여겨지는 E 고리에는 고온의 환경에서만 만들어지는 광물인 '나노 실리카(Nano-Silica)'가 포함되어 있었다. 이 결과는, 엔켈라두스의 해저에 생명의 탄생과 깊은 관련이 있다고 생각되는 '열수 반응'이 일어나고 있을 가능성을 말해주는 것이다. 이전에는 지구 밖 생명체의 가능성에 대해 논의할 때, 지구상의 생물과 물질을 바탕으로 생각할 수밖에 없었다. 그러나 엔켈라두스의 탐사가 진행되면서, 지구 이외에도 생명의 탄생에 필요한 물, 유기물, 에너지가 갖추어져 있음이 확인되었다. 우주를 무대로 한 생명 연구의 길이 드디어 열렸다고 말할 수 있다.
1-2. 위성 '타이탄'에서 '메탄의 바다'를 발견했다.
'카시니-하위헌스'의 성과로, 토성의 최대 위성인 '타이탄(Titan)'의 모습을 밝힌 점도 빼놓을 수 없다. 카시니에서 2004년 12월 25일에 분리된 하위헌스는 20시간의 비행 끝에 타이탄에 도착했다. 그리고 2005년 1월 14일에 낙하산으로 강하하면서 타이탄의 '지표의 모습'과 '대기의 조성', '온도 분포', '대기의 운동' 등을 조사하여 -180℃의 지표에 착륙했다. 다시 그로부터 약 1시간, 타이탄에 관한 데이터를 계속 보내는데 성공했다. 하위헌스의 임무는 대성공이었다고 할 수 있다. 또 하위헌스는 이제까지 지구에서 가장 먼 천체에 착륙한 인공 물체이다.
카시니의 레이더에 의한 관측과 하위헌스의 탐사를 통해, 타이탄의 두꺼운 구름 밑에는 마치 지구상에 있는 것 같은 하천과 호수가 펼쳐져 있음이 밝혀졌다. 다만 그곳에 흐르는 액체는 물이 아니라 '메테인(Methane)'과 '에테인(Ethane)'이다. 지구상의 물이 바다로 흘러 증발해 구름이 되고 비로소 지상에 쏟아지듯이, 타이탄에서는 메테인과 에테인이 순환하고 있음이 밝혀진 것이다. 또 카시니 등의 관측 결과에서, 타이탄에도 계절 변화가 있는 점과, 타이탄의 지하에 액체인 물의 바다가 있을 가능성 등도 제시되었다
1-3. 그랜드 피날레
카시니는 최후의 임무인 '그랜드 피날레(Grand Finale)'를 2017년 4월 23일에 시작했다. '그랜드 피날레'에서는 토성을 선회하면서 고리의 간극을 22차례 통과한 다음, 9월 15일에 토성으로 돌입한다. 마지막으로 카시니가 토성에 돌입하는 이유는, 생명이 존재할 가능성이 있는 토성의 위성에 돌입해 지구에서 가져간 물질이 그 위성에 섞이는 일을 막기 위해서이다.
카시니는 지금까지 토성 고리의 바깥쪽에서 관측해 왔다. 고리와 토성 사이를 지나는 것은 이번 임무가 처음이다. 고리 면을 통과할 때 주 고리에서 떨어져 나온 입자와 충돌할 가능성이 있다고 여겨지지만, 첫째 고리면을 통과한 시점에서는 카시니에 충돌한 입자는 거의 없었다. 그랜드 피날레 중에는 토성의 고층 대기 속을 지나가거나 주 고리의 가장 안쪽에 있는 희박한 D 고리 속을 통과하는 궤도도 있다. 그랜드 피날레에서는 토성 대기의 모습을 전에 없을 정도로 가까이에서 관측한다. 또 태양광을 배경으로 고리를 촬영하거나 고리의 안쪽에서 지구에 전파를 보낼 떄 고리에 전파가 차단되는 모습도 조사해, 고리의 더 상세한 구조도 조사한다.
또 토성 대기의 맨 아래쪽에는 금속 상태가 된 수소, 암석, 금속으로 이루어진 중심핵이 있을 것으로 생각된다. 근거리에서 토성의 중력을 상세히 조사함으로써 토성의 내부 구조를 밝힐 힌트를 얻을 수 있지 않을까 기대된다. 이 결과는 토성만이 아니라 태양계 전체가 어떻게 탄생했는지를 이해하는 데 유용할 것이다.
아래의 그림은 카시니의 '그랜드 피날레' 궤도를 파란색 선으로 나타낸 것이다. 카시니는 2017년 4월 23일부터 마지막 임무를 시작해 이후 합계 22회 토성 고리의 안쪽을 통과하다가 최종적으로 토성에 낙하했다. 주황색 선은 그랜드 피날레의 마지막 대기 돌입 궤도이다. 카시니가 토성에 낙하까지의 단계는 다음과 같다.
- 탐사선은 토성의 북반구 쪽에서 급강하하듯이 토성에 접근한다.
- 토성 본체와 고리 사이를 지난다. 고리면을 지날 때는 고리에서 떨어져 나온 미립자에 충돌할 가능성이 있다. 따라서 안테나를 아래로 향해 방패로 삼아 본체를 보호한다.
- 토성 대기권에 돌입할 때는 안테나가 지구를 향한 채 마지막 데이터를 송신한다.
- 탐사선은 대기의 영향을 받아 가열되며 최후에는 불타오른다.
2. 토성의 전체 모습
2-1. 아주 가까이서 포착한 토성의 모습
- 촬영: 2014년 10월
아래의 영상은 2004년 10월에 토성에서 630만 km 떨어진 곳에서 카시니가 촬영한 토성이다. 카시니는 1997년 10월에 발사되어 6년 8개월 후에 드디어 토성에 도착해, 이 영상을 촬영했다. 토성을 아주 가까이서 촬영한 것은 1981년 보이저 탐사선의 촬영 이후 처음이다. 이후 카시니는 수많은 토성의 위성을 촬영했다.
2-2. 환상적으로 빛나는 오로라를 두른 토성
'오로라(Aurora)'는 '태양풍(태양에서 온 전기를 띤 입자)'이 천체의 대기와 충돌해 생기는 발광 현상이다. 강한 자기장과 두꺼운 대기를 가진 토성에서는 지구와 마찬가지로 태양풍의 영향으로 오로라가 발생한다.
토성의 대기 조성이 지구와 다르기 때문에 가시광선으로는 태양의 오로라를 관측할 수 없다. 이 영상에서는 적외선을 이용해 촬영한 영상을 합성하고 파장의 차이에 따라 색으로 구분했다.
3. 토성의 북극에 있는 '육각형 소용돌이'
아래의 영상은 2016년 10월 31일에 토성의 북반구 쪽에서 촬영한 것이다. 토성의 표면은 평온해 보이지만 실제로는 고속의 바람이 불며 가끔 태풍도 발생한다.
토성의 북극 표면에는 특징적인 '육각형 소용돌이'가 무인 행성 탐사선 '보이저'에 의해 발견된 1981년 이래 줄곧 그 자리를 차지하고 있다. 이 육각형 모양이 유지되는 이유는 아직 밝혀지지 않았다. 육각형 소용돌이의 가장자리에는 초속 약 100m에 이르는 제트기류가 흐르고 있다. 육각형 속의 대기 성분은 계절이나 장소에 따라 변한다. 토성의 북반구가 태양 쪽으로 기움에 따라, 즉 토성의 북반구가 여름이 됨에 따라 태양에서 오는 자외선이 강해지고 그 영향으로 대기 중의 미립자인 '에어로졸(Aerosol)'이 증가한다. 이 성분이 토성의 표면에서 주황색 아지랑이처럼 보이는 것이다. 육각형 중심에는 주변과는 다른 색이 유지되고 있다. 육각형의 중심은 지구의 태풍의 눈처럼 되어 있어, 거대한 하강 기류가 발생하고 있다. 이로써 대기의 에어로졸이 아래쪽으로 보내져 표면에 주황색 아지랑이가 생기기 어렵다는 점이, 육각형 중심 부분의 색이 주변과 다른 원인이라고 생각된다.
3-1. 지구보다 큰 거대한 육각형
아래의 사진은 탐사선 '카시니-하위헌스'가 포착한 토성 북극의 모습이다. 북극 쪽의 육각형 소용돌이의 특징을 알기 쉽도록 비슷하게 색을 입힌 영상이다. 육각형 가장자리에 있는 황록색 띠는 제트 기류이다. 중심에 있는 빨간색 영역은 태풍의 눈에 해당하며 육각형 내부의 선명하지 않은 주황색 부분에는 몇 개의 구름이 보인다. 영상 오른쪽 위에 보이는 파란색 띠는 토성의 고리이다. 육각형 소용돌이의 한 변은 지구의 지름 정도 된다.
3-2. 다양하게 변하는 토성의 육각형
- 촬영: 2016년 12월 6일
아래의 4개의 영상은 토성의 북극 권역을 다른 파장의 전자기파로 관측한 것이다. 파장이 긴 전자기파일수록 대기 안쪽까지 관측할 수 있다. 왼쪽 위에서부터 시계방향으로 서서히 고도가 낮은 장소를 관찰한 결과이다. 고도에 따라 구름의 구조가 다름을 알 수 있다.
3-3. 토성의 북극을 가시광선으로 촬영
- 촬영: 2013년 6월(왼쪽), 2017년 4월(오른쪽)
아래 2개의 영상은 토성의 북극을 가시광선으로 촬영한 것이다. 각각 토성의 봄과 여름에 해당하는 시기이다. 계절이 바뀌고 태양으로부터 받는 빛의 강도가 변함에 따라 육각형의 모습도 변한다.
4. 토성의 대기
아래의 영상은 토성을 동쪽에서부터 서쪽으로 흐르는 구름이 만드는 몇 가지 무늬를 포착한 영상이다. 이 영상은 728, 752, 890nm 부근 파장의 적외선으로 관측한 결과를 1장으로 합성한 것이다.
토성은 거대한 가스 행성으로 표층에 보이는 대기의 대부분은 수소와 헬륨 가스로 이루어졌다. 적외선이나 자외선 등 파장이 다른 전자기파를 관측함으로써 토성 대기의 고도별 모습을 조사했다.
4-1. 토성을 일주하는 거대한 폭풍
- 촬영: 2011년 2월 25일
아래 영상에 보이는 하얀 무늬는 토성의 폭풍이다. 이 영상은 2011년 2월 25일에 촬영한 것으로, 이 폭풍은 2010년 12월 5일부터 관측되었다. 당시는 남북으로 1300km, 동서로 2500km 정도의 크기에 지나지 않았지만, 그 후 토성을 한 바퀴 돌 정도의 길이, 넓이는 약 40억 km2까지 확대되었다. 지구 표면적의 약 8배이다.
4-2. 토성을 일주하는 거대한 폭풍
아래의 영상은 아래 영상의 폭풍 영역 왼쪽 끝 부근을 구름의 고도별로 색으로 구분한 것이다. 고도가 낮은 순으로 파랑, 보라, 노랑, 초록, 빨강, 갈색으로 나타나 있다. 이들 구름은 결정화한 암모니아로 덮인 물의 얼음으로 이루어졌다고 생각된다.
4-3. 그랜드 피날레' 때 촬영한 대기의 영상
아래의 3개의 영상은 '그랜드 피날레'로 명명된 카시니 최후의 임무에서 포착한 토성 표면의 모습이다. 2017년 4월 26일에 토성 본체와 고리 간극을 고속으로 지날 때 촬영했다. 이 시점에서 토성에 가장 근접해 촬영한 영상이다. 가운데 영상에 찍힌 둥근 모습은 북극에 있는 육각형 소용돌이의 중심 부분이다. 각각의 영상에 찍혀 있는 하얀 실뭉치 같은 부분은 토성 대기에 발생한 난기류 때문에 생긴 소용돌이로, 어떤 일정 고도에 존재하는 구름 같은 것으로 생각된다.
5. 토성의 고리와 위성
5-1. 토성의 고리를 이루는 입자의 크기 차이를 포착했다.
아래의 사진은 탐사선 '카시니(Cassini)'로부터 고리를 통해 3종의 전파를 발사하고, 그것을 지구에서 받은 관측 결과이다. 카시니의 관측을 통해 토성 고리의 구성 요소인 물의 얼음 크기가 밝혀졌다. 아래의 영상에서 고리색의 차이는 입자 크기의 차이를 나타낸다. 초록색으로 보이는 영역은 5cm 이하, 파란색으로 보이는 영역은 각각 1cm 이하의 입자가 주된 영역이다. 보라색으로 보이는 영역은 5cm 이하의 입자가 적은 영역, 그리고 하얀색 부분은 입자의 밀도가 가장 높은 부분이다.
5-2. 고리를 만들어 내는 위성
아래의 영상은 토성의 E고리를 포착한 것이다. 영상 중심 부근에 있는 밝은 광점은 토성의 위성 '엔켈라두스'이다. '엔켈라두스'에서는 이따금 고운 얼음 입자가 분출되고 있다. 이러한 카시니의 관측 결과를 바탕으로, 토성의 E 고리는 엔켈라두스를 주로 한 위성의 분출물로 이루어졌다고 생각하게 되었다.
5-3. 고리를 물결치게 하는 위성 '다프니스'
아래의 사진은 토성의 A고리 안에 있는 '킬러 간극(Keller Gap)'에 떠 있는 위성 '다프니스(Daphnis)'를 포착한 것이다. '킬러 간극'은 다프니스가 그 궤도상에 있는 고리의 입자를 튕겨냄으로써 생겼다고 한다. 고리의 가장자리가 물결치는 이유는 다프니스와 입자 사이에 작용하는 중력의 영향이다.
'다프니스(Daphnis)'처럼 고리의 모양을 결정짓는 작용을 하는 위성은 고리의 입자를 '양(Sheep)', 위성을 '양치기(Shepherd)'로 간주해 '양치기 위성(Shepherd Satellite)'이라고 부른다. 토성의 고리 중에는 이 밖에도 양치기 위성이 몇 개 발견되었다.
5-4. 600만 km 떨어진 토성의 거대 고리
토성에서 600만 km 떨어진 곳에 매우 커다란 고리인 '포이베 고리(Phoebe Ring)'가 있다. 아래의 영상은 그 상상도이다. 토성의 위성 야페투스는 '포이베 고리' 바로 안쪽을 공전하고 있다. 야페투스에 있는 검은 무늬는 야페투스에 포이베 고리의 입자가 날아들어서 생긴 것으로 추정된다.
5-5. 토성을 배경으로 떠 있는 '디오네'
'디오네(Dione)'의 지름은 1120km로, 토성의 위성 가운데 넷째로 크다. 그러나 토성의 거대함에는 비교도 되지 않는다. 영상 아래쪽에 떠 있는 것이 '디오네'고, 배경의 갈색 영역이 토성의 표면이다. 그 규모의 차이를 잘 알 수 있다.
5-6. 고리를 절묘한 균형감으로 유지한다.
가는 끈처럼 보이는 F고리와 함께 찍힌 2개의 위성 '프로메테우스'와 '판도라'이다. 영상의 오른쪽 아래에 있는 것이 '프로메테우스'고, 영상의 중앙에 보이는 것이 '판도라'이다. 이 2개의 위성도 '양치기 위성'이다. 가늘고 얇은 F고리 형태는 2개의 위성의 중력에 의해 절묘하게 유지되고 있다.
6. 타이탄(Titan)
카시니는 토성을 탐사함과 동시에 토성 주위에 존재하는 여러 위성도 탐사했다. 그 가운데 토성 최대의 위성 '타이탄'에는 탐사선 '하위헌스(Huygens)'를 투하해 수수께끼로 가득 찬 대기와 지표의 모습을 관측하는 데 성공했다. 타이탄은 위성으로는 드물게 두꺼운 대기를 가지고 있으며, 그 모습은 원시 지구의 환경과 매우 비슷하다고 생각된다. 따라서 이전부터 주목받았던 위성이다.
6-1. 북극 상공에서 적외선으로 관측한 '타이탄'
태양광을 받은 토성의 위성 '타이탄(Titna)'을 북극 상공에서 적외선으로 관측한 다음 비슷한 색으로 채색하였다. 토성을 선회하는 '카시니'가 '타이탄을 '플라이바이(Fly-by)'했을 때 포착한 모습이다.
타이탄은 질소와 메탄의 대기에 덮여 있다. 상공에 안개가 두껍게 덮여 있기 때문에, 상공에서 화구 등을 확인할 수가 없다. 사진 가운데에서 약간 위쪽에 보이는 진한 곳은 액체 메탄으로 이루어진 호수이다.
6-2. 하위헌스가 포착한 타이탄
아래의 영상은 하위헌스가 타이탄으로 강하 중에 바라본 동서남북의 풍경이다. 두꺼운 대기층을 뚫고 서서히 지표에 다가갈 때까지의 모습을 뚜렷이 볼 수 있다.
6-3. 메탄 비가 쏟아진다.
타이탄의 대기는 주로 질소와 메탄으로 이루어져 있으며, 표면의 기압은 지구의 1.5배에 이른다. 이 정도로 두꺼운 대기를 지닌 위성은 적어도 태양계에서는 타이탄밖에 없다. 아래의 영상에서 타이탄의 적도 부근에 있는 하얀 구름은 '메탄 구름'이다. 영상에서 특히 검은 부분 영역에는 '메탄 비'가 내리고 있다고 생각된다.
6-4. 액체로 넘쳐흐르는 타이탄의 표면
타이탄은 지구를 제외하고 태양계 내의 천체에서 유일하게 지표에 물질이 액체 상태로 존재하는 천체로 알려져 있다. 아래의 영상은 하위헌스가 상공에서 포착한, 타이탄의 지표에 보이는 하천의 모습이다. 지구에 존재하는 하천의 형태와 매우 비슷하다.
6-5. 카시니의 레이더 관측으로 확인된 타이탄의 지표 이미지
카시니의 레이더 관측으로 확인된 타이탄의 지표 이미지이다. 검푸른 영역은 액체인 '메테인(Methane)'으로 이루어진 호수로 보인다.
7. 엔켈라두스(Enceladus)
카시니는 표면으로 뒤덮인 위성 '엔켈라두스(Enceladus)'의 관측에서도 눈부신 성과를 거두었다. 엔켈라두스의 관측을 통해, 표면을 뒤덮은 얼음 밑에 물로 이루어진 '바다'가 존재한닥 생각하게 되었다. 또 엔켈라두스의 분출물 가운데 유기물이 발전된 점에서, 엔켈라두스는 태양계에 존재하는 천체 가운데 지구 밖 생명이 존재할 가능성이 가장 높은 천체로 생각된다.
7-1. 엔켈라두스의 얼음 간극에서 분출하는 '제트'
- 촬영: 2009년 11월 21일
아래의 영상은 2009년 11월 21일에 카시니가 엔켈라두스의 남극 부근의 통과할 때 촬영한 모습이다. 여러 개의 얼음 간극에서 수증기 등의 '제트' 즉 '플룸(Plume)'이 분출하는 모습을 뚜렷이 볼 수 있다. 이 분출물의 성분을 분석했더니 나트륨과 칼륨 같은 '염'이 포함되어 있었다. 물에 염분이 포함되어 있으면 얼음이 되는 온도가 낮아진다. 따라서 엔켈라두스 지하에는 대량의 액체의 물이 있다고 추정하게 되었다.
7-2. 수수께끼 가득한 눈사람 모양의 화구
'엔켈라두스(Enceladus)' 적도 부근에서 촬영된 눈사람 모양의 화구(Crater)'이다. 목성의 위성 '칼리스토(Callisto)'에서도 비슷한 모양의 화구가 발견된다. 그것들은 얕은 각도로 충돌한 운석이 몇 차례 튕기면서 생긴 것으로 보인다. 엔켈라두스의 이 화구는 토성의 '기조력(조석력)'에 의해 분열된 소천체가 연속적으로 부딪쳐 생겼다는 설도 있어 앞으로의 검증이 기대된다.
7-3. 북극에서 발견된 균열
아래의 영상은 '엔켈라두스(Enceladus)'의 상공 6000km에서 촬영한 북극 부근이다. 많은 화구와 함께 지표에는 커다란 균열이 보인다. 그러나 엔켈라두스의 북극에서 발견되는 균열은 남극의 것보다 얕아 수증기나 얼음을 분출하는 데는 이르지 않았다. 다만 그 이유는 아직 밝혀지지 않았다.
