The Science Times

토성의 위성 – 타이탄

타이탄은 토성의 수많은 위성 중 가장 큰 위성으로, 태양계의 모든 위성을 비교해도 목성의 가니메데 다음으로 두 번째로 큰 크기를 자랑한다. 타이탄은 심지어 행성인 수성보다도 크다.

흥미로운 점은 타이탄이 짙은 대기를 가지고 있으며 위성의 기압이 지구의 그것보다도 높다는 점이다. 대기의 대부분은 질소로 이루어져 있으며 메탄 등으로 구성된 구름도 존재한다. 하지만 질량은 수성의 절반도 되지 않는데, 약한 중력 때문에 대기 자체가 매우 멀리 뻗어있으며 이로 인해서 외부에서의 관측이 매우 힘들다.

카시니호에 의해서 촬영된 타이탄의 모습 © NASA, JPL-Caltech, SSI, Kevin M. Gill

2004년 카시니-하위헌스 탐사선의 하위헌스 착륙선이 타이탄 표면에 도달하며 타이탄에 대한 많은 정보를 알게 되었다. 카시니 궤도선 역시 타이탄의 극지방에서 액체를 발견했는데, 온도 때문에 물이 아니라 탄화수소(대부분 액체 메탄)로 이루어져 있음을 발견했다. 이 중 가장 놀라운 사실은 지구의 물순환처럼 타이탄에서도 액체 메탄이 순환한다는 점이다. 이를 통해서 타이탄의 지표면에서 액체가 안정적으로 유지됨이 밝혀졌고 이로인해 타이탄은 우리 태양계에서 지구 외 생명체가 살 수 확률이 가장 높은 천체 중 하나로 예측되고 있다.

왼쪽 상단부터 시계 방향으로 달, 지구, 그리고 타이탄의 크기 비교 © NASA, JPL, Space Science Institute (SSI), Gregory H. Revera

제임스 웹, 타이탄을 자세히 관측하다

제임스 웹은 화성, 해왕성, 목성 등을 자세히 관측하며 태양계 천체들도 빠지지 않고 연구하고 있다. (관련 기사 바로 가기 -“제임스 웹, 해왕성을 자세히 관측하다”) (관련 기사 바로 가기 – “제임스 웹, 화성을 자세히 관측하다”) (관련 기사 바로 가기 – “제임스 웹, 목성을 자세히 관측하다”)

2022년 제임스 웹이 여러 천체를 관측하기 시작하자 국제 행성 과학자팀은 토성의 가장 큰 위성인 타이탄에 눈을 돌리기 시작했다. 그리고 2022년 11월 제임스 웹의 근적외선 카메라(NIRCam)로 촬영한 타이탄의 새로운 이미지가 공개되었다.

연구팀은 토론을 거쳐서 북반구에 밝은점이 큰 구름이라는 점을 밝혀냈고 두번째 구름도 존재함을 알아냈다. © NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), JWST Titan GTO Team

왼쪽은 타이탄의 낮은 대기에 민감한 2.12 마이크로미터 필터인 F212N을 사용하여 촬영된 사진이다. 오른쪽은 파란색 (1.40 마이크로미터 필터 F140M 필터를 이용한 이미지), 녹색 (1.50 마이크로미터 F150W 필터를 이용한 이미지), 빨간색 (1.99 마이크로미터 F200W 필터를 이용한 이미지)을 합성하여 만든 이미지이며 2.09 마이크로미터 F210M 필터를 이용하여 밝기를 나타냈다. (고해상도 이미지 바로 보러 가기) 

관측팀, 결과에 크게 만족하며 Keck 천문대에 후속 관측 요청

오른쪽 사진에서 “Kraken Mare” 부분은 메탄으로 이루어진 바다로 예측되며 “Belet” 부분은 어두운 색의 모래 언덕으로 구성되어 있으리라 예측된다. “Adiri” 부분은 높은 알베도를 보여주고 있다.

위 연구를 이끈 코너 닉슨 박사(Dr. Conor Nixon)는 위 사진을 보며 흥분을 감추지 못했다고 전했다. 앞선 설명처럼 타이탄은 태양계에서 유일하게 대기가 밀집된 위성이며 지구 외에 강, 호수, 바다가 있는 유일한 천체이기도 하다. 하지만 타이탄의 대기는 표면에서 반사되는 가시광선을 가리는 두꺼운 연무 등으로 가득 차 있다. 때문에 행성 과학자들은 매혹적인 타이탄의 기후에 관해서 큰 관심을 보이고 있다.

표면의 알베도를 조사하여 대기에 관해 깊은 이해를 함과 동시에 타이탄 대기의 과거와 미래에 관해서도 탐구할 수 있기 때문이다. 닉슨 박사는 구름과 알베도 결과를 볼 수 있었던 위 초기 결과에 대해서 매우 만족했다고 설명하며 나머지 연구팀원들도 비슷한 반응이었다고 전했다.

연구팀은 토론을 거쳐서 왼쪽 사진에서 북반구에 밝은 점이 큰 구름이라는 점을 밝혀냈고 두 번째 구름도 존재함을 알아냈다. 특히, 구름은 태양 빛에 의해서 표면이 따뜻해지는 늦여름 동안 북반구 중부에서 쉽게 형성것이라고 예측되고 있다.

연구팀은 구름을 발견한 후 구름이 움직이며 모양이 바뀌고 있음을 파악하면 타이탄 대기의 기류를 알 수 있기에 Keck 천문대에 후속 관찰을 요청했다. 캐써린 드 클리어 박사 (Dr. Katherine de Kleer)는 첫 번째 결과를 보자마자 신속하게 타이탄을 관측했으며 성층권에서 지표면까지 타이탄을 관측하기 시작했다. 결과는 매우 성공적이었다.

타이탄의 계절적 날씨 패턴 확인

Keck 천문대는 결과를 얻은 후 해석을 돕기 위해서 대기 모델링 전문가에게 연락했고 예일대학교의 후안 로라 박사(Dr. Juan Lora)는 이번 시즌 안 그래도 많은 구름의 활동을 예측하고 있었는데 실제로 결과를 확인하게 되어서 매우 기쁘다고 설명했다.

왼쪽은 제임스 웹으로 촬영된 구름, 오른쪽은 Keck 망원경을 통해서 촬영된 구름 © NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), JWST Titan GTO Team

11월 4일(왼쪽 사진)과 6일(오른쪽 사진)의 구름이 같은 구름인지 확인하기는 힘들지만 타이탄의 계절적 날씨 패턴을 확인 시켜주는 결과이기 때문이다. 이는 카시니-하위헌스 탐사선 역시 포착하지 못했던 결과로 타이탄의 대기와 표면 구성에 대한 연구를 바탕으로 남극에서 보이는 밝은 부분을 조사하면 이에 대한 원인을 자세히 파악할 수 있으리라 기대된다. (고해상도 이미지 바로 보러 가기) 

타이탄 대기에 대한 연구는 이제 시작이다

특히, 연구팀은 2023년 5월에서 6월 사이에 근적외선 카메라와 근적외선 분광기 (NIRSpec), 그리고 중적외선 도구(Mid-Infrared Instrument)의 새 결과를 기대하고 있다. 스펙트럼을 조사하면 대기에 관해서 훨씬 자세히 알 수 있을 뿐 아니라 태양계에서 대기를 가진 유일한 위성을 해독하는 데 매우 중요한 단서를 제공해주기 때문이다. 연구에 참여한 Universite Paris Cité의 대학원생인 마엘 에스-사예 (Maël Es-Sayeh) 박사과정생 역시 내년에 후속 결과를 매우 기대하고 있다고 전했다.

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