최근 불 같은 세계의 저공비행은 내부 구조에 대한 주요 이론을 반박하고 지질학적으로 활동적인 달에 대해 얼마나 적게 이해되고 있는지를 보여줍니다.
NASA의 주노(Juno) 탐사선이 촬영한 이 적외선 이미지에서 이오(Io)에 나타나는 백열 화산입니다.
NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM
스콧 볼튼이 이오를 처음 만난 것은 1980년 여름, 그가 대학을 졸업하고 NASA에서 일을 시작한 직후였습니다. 보이저 1호 우주선은 이 목성의 달을 지나며 지구가 아닌 다른 세계에서 활발한 화산 활동을 처음으로 목격했습니다. 우산 모양의 마그마 물질이 이오 표면 전체에서 우주로 솟아올랐습니다. 현재 텍사스 사우스웨스트 연구소에 근무하고 있는 볼튼은 “그들은 놀라울 정도로 아름다웠다”고 말했다. "화가가 그린 것 같았어요. 우리 달과 비교하면 얼마나 이색적인지 놀랐어요."
볼튼과 같은 과학자들은 그 이후로 이오의 활발한 화산 활동을 이해하려고 노력해 왔습니다. 대표적인 이론은 달 표면 바로 아래에 액체 암석이 연속적으로 쌓여 있는 거대한 마그마 바다가 숨겨져 있다는 것입니다. 이 이론은 이오 화산의 대략 균일한 분포를 보여주는 관찰을 포함하여 여러 관찰과 깔끔하게 일치하며, 이는 동일하게 어디에나 존재하는 지옥 같은 용융원을 활용하는 것으로 보입니다.
하지만 이제 이오의 지옥은 사라진 것 같다. 아니 애초부터 없었던 것 같다. NASA의 Juno 우주선이 최근 화산 달을 비행하는 동안 과학자들은 달의 질량 분포와 그에 따른 내부 구조를 결정하기 위해 우주선의 가장 작은 흔들림을 사용하여 Juno에 대한 Io의 중력 효과를 측정했습니다. 과학자들은 Nature에 보고했습니다. 이오의 지각 바로 아래에는 아무런 의미도 없는 일이 벌어지고 있다는 사실입니다.
Juno 임무를 이끄는 볼턴은 “얕은 바다는 없습니다.”라고 말했습니다.
독립적인 과학자들은 연구에서 어떤 결점도 찾을 수 없습니다. 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 행성 과학자인 캐서린 드 클레어(Katherine de Kleer)는 “결과와 연구 결과는 완전히 확실하고 설득력이 있습니다.”라고 말했습니다.
데이터는 다른 바위 세계로 흘러들어가는 미스터리를 다시 열었습니다. 이오의 화산 활동은 조석 가열이라는 중력 구동 메커니즘에 의해 이루어지며, 이 메커니즘은 암석을 녹여 표면에서 분출되는 마그마로 만듭니다. 이오가 이 메커니즘의 대표적인 예인 반면, 조석 가열은 이오의 이웃인 얼음 달인 유로파를 포함하여 다른 많은 세계도 가열합니다. 이 열은 지하 바닷물 바다를 유지하는 것으로 생각됩니다. NASA는 유로파 하늘에서 제안된 지하 바다에서 생명체의 흔적을 찾기 위해 50억 달러 규모의 클리퍼 우주선을 발사했습니다.
보이저 1호와 갈릴레오 임무의 이미지로 만든 이오 표면 지도는 달 화산의 넓은 분포를 보여줍니다. 커다란 빨간색 고리는 펠레 화산 기둥에서 나오는 유황 낙진입니다.
미국 지질조사국
하지만 이오에 마그마 바다가 없다면 유로파에는 어떤 의미가 있을까요? 그리고 과학자들은 이제 조수 가열이 어떻게 작동하는지 궁금합니다.
녹는 마그마
열은 화산 활동과 대기 화학에서 생물학에 이르기까지 모든 것이 형성되는 암석 기반인 지질학을 촉진합니다. 열은 종종 행성의 형성과 방사성 원소의 붕괴에서 발생합니다. 그러나 달과 같은 더 작은 천체에는 그러한 원소와 잔열이 아주 적게 매장되어 있으며, 이러한 매장량이 고갈되면 지질 활동이 정체됩니다.
또는 적어도 그래야 합니다. 그러나 지질학적으로 멸망했어야 할 태양계 전체의 작은 구체에 지질학적 생명을 부여하는 무언가가 있는 것으로 보입니다.
Io는 이 수수께끼 같은 클럽에서 가장 화려한 회원입니다. 번트 오렌지색, 진홍색, 황갈색 잭슨 폴록의 그림입니다. 넘쳐흐르는 용암 가마솥의 발견은 행성 과학에서 가장 유명한 이야기 중 하나입니다. 발견되기 전에도 그러한 가마솥이 존재할 것이라고 예측되었기 때문입니다.
NASA의 보이저 1호 탐사선은 1979년에 이오를 촬영하여 지구 너머의 화산 활동을 처음으로 엿볼 수 있었습니다. 이 사진 모자이크에서는 현재 달의 가장 큰 화산으로 알려진 로키 파테라(Loki Patera)에서 용암 기둥이 뿜어져 나오는 것을 볼 수 있습니다.
NASA/JPL/USGS
1979년 3월 2일 Science에 실린 한 논문 이오의 이상한 궤도를 반추했습니다. 이웃 달의 위치와 궤도로 인해 이오의 궤도는 원형이 아닌 타원형입니다. 그리고 이오가 목성에 더 가까울수록 멀리 있을 때보다 가스 거인으로부터 더 강한 중력을 경험하게 됩니다. 따라서 연구 저자들은 목성의 중력이 이오를 지속적으로 반죽하여 표면을 최대 100미터까지 위아래로 끌어당기고 계산에 따라 목성 내부에서 많은 마찰열을 생성해야 한다는 것을 알아냈습니다. 이 메커니즘은 그들이 "조석 가열"이라고 설명했습니다. 그들은 이오가 태양계에서 가장 강하게 가열된 암석체일 것이라고 추측했습니다. “사람들은 광범위하고 반복적인 표면 화산 활동이 일어날 것이라고 추측할 수 있습니다.”라고 그들은 썼습니다.
불과 3일 만에 보이저 1호가 이륙했습니다. 3월 8일에 촬영된 이미지에는 표면 위로 아치형으로 솟아오른 두 개의 거대한 기둥이 기록되어 있습니다. NASA의 과학자들은 다른 모든 원인을 배제한 후 보이저호가 외계 세계의 화산 폭발을 목격했다고 결론지었습니다. 그들은 과학에 자신의 발견을 보고했습니다. 그해 6월, 예측이 나온 지 불과 3개월 만이었습니다.
행성 과학 공동체는 이오 내부의 조석 가열이 표면의 끝없는 화산 활동의 원인이라는 생각을 중심으로 빠르게 연합했습니다. 퍼듀 대학의 행성 지구물리학자인 마이크 소리(Mike Sori)는 "수십 년 동안 공개된 질문이었던 알려지지 않은 부분은 그것이 내부 구조에 어떤 의미인지입니다."라고 말했습니다. 이오 내에서 조석 가열은 어디에 집중되며, 얼마나 많은 열과 용융이 발생합니까?
NASA의 갈릴레오 우주선은 새천년이 바뀔 무렵 목성과 그 위성 몇 개를 연구했습니다. 그 장비 중 하나는 자력계였으며 이오에서 나오는 독특한 자기장을 포착했습니다. 신호는 전기 전도성 유체에서 나오는 것처럼 보였습니다. 실제로는 많은 양의 유체였습니다.
수년간의 연구 끝에 과학자들은 2011년에 갈릴레오가 이오 지각 바로 아래에서 세계적인 마그마 바다를 발견했다는 결론을 내렸습니다. 지구의 맨틀은 대부분 단단하고 플라스틱인 반면, 이오의 지하 표면은 두께가 50km, 즉 가장 깊은 지점이 태평양보다 거의 5배 더 두꺼운 액체 암석 바다로 채워져 있는 것으로 생각되었습니다.
비슷한 자기장이 유로파에서도 발생했습니다. 이 경우에는 광대한 염수 바다에서 생성된 것으로 보입니다. 그 의미는 심오했습니다. 암석 물질이 많기 때문에 조수 가열로 마그마 바다를 만들 수 있습니다. 얼음이 많으면 잠재적으로 거주 가능한 액체 물로 바다를 만들 수 있습니다.
화산소멸법
2016년 주노 우주선이 목성 주위를 돌기 시작했을 때 이오에 마그마 바다가 있다는 믿음이 널리 퍼졌습니다. 그러나 볼턴과 그의 동료들은 다시 한번 확인하고 싶어했습니다.
2007년 NASA의 뉴호라이즌스 탐사선이 8분에 걸쳐 촬영한 일련의 이미지는 트바쉬타르 파테라이(Tvashtar Paterae) 화산 지역의 폭발을 보여줍니다. 이 가짜 색상 이미지의 기둥은 달 표면에서 330km 솟아오릅니다.
NASA/존스홉킨스대학교 응용물리학연구소/사우스웨스트 연구소
2023년 12월과 2024년 2월의 비행 동안 Juno는 이오의 그을린 표면에서 1,500km 이내에 도달했습니다. 활화산의 놀라운 이미지가 모든 사람의 관심을 끌었지만, 이러한 저공비행의 목표는 달의 암석 표면 아래에 마그마 바다가 실제로 존재하는지 알아내는 것이었습니다.
조사를 위해 팀은 지구와 통신하고 신호를 보내고 받는 Juno의 무선 응답기라는 예상치 못한 도구를 사용했습니다. 이오의 질량은 고르지 않게 분포되어 있기 때문에 중력장은 완벽하게 대칭이 아닙니다. 고르지 못한 중력장은 날아가는 Juno의 움직임을 미묘하게 변경하여 Juno가 약간 가속하거나 감속하게 만듭니다.
이는 Juno의 무선 전송이 Io의 고르지 않은 중력장에 반응하여 파장이 약간 이동하는 도플러 효과를 경험하게 됨을 의미합니다. 변속기의 믿을 수 없을 만큼 작은 변화를 관찰함으로써 볼튼 팀은 이오의 중력장에 대한 충실도 높은 그림을 만들고 이를 사용하여 내부 구조를 결정할 수 있었습니다. 이번 연구에 참여하지 않은 NASA 제트추진연구소의 화산학자 애슐리 데이비스는 "전 지구에 마그마 바다가 실제로 존재한다면 이오가 목성 주위를 공전하고 조석력이 목성을 휘어 모양을 바꾸면서 훨씬 더 많은 왜곡을 보게 될 것"이라고 말했습니다.
그러나 볼턴 팀은 이 정도의 왜곡을 발견하지 못했다. 그들의 결론은 분명했습니다. "화산에 연료를 공급하는 얕은 마그마 바다는 있을 수 없습니다."라고 제트 추진 연구소의 Juno 공동 연구자이자 연구 공동 저자인 Ryan Park이 말했습니다.
카시니-호이겐스 임무는 2001년에 목성을 배경으로 이오를 촬영했습니다.
NASA/JPL/애리조나 대학교
그렇다면 이오의 화산에 전력을 공급하는 것은 또 무엇일까요?
지구상에서는 폭발적인 분출을 일으키는 타르 같은 점성 물질부터 일부 화산에서 분출되는 더 질기고 꿀 같은 물질에 이르기까지 다양한 유형의 마그마의 개별 저장소가 다양한 깊이의 지각 내에 위치하고 있으며, 모두 지구 표면을 구성하는 움직이는 퍼즐 조각인 지각판의 상호 작용에 의해 생성됩니다. 이오에는 판 구조와 (아마도) 다양한 마그마 유형이 부족하지만 그럼에도 불구하고 그 지각에는 마그마 저장소가 뒤덮여 있을 수 있습니다. 이것은 갈릴레오의 데이터가 많은 마그마 해양 이론을 확신시키기 전까지의 원래 사고방식 중 하나였습니다.
새로운 연구는 훨씬 더 깊은 마그마 바다를 배제하지 않습니다. 그러나 그 심연의 은닉처는 철이 풍부하고 밀도가 매우 높아(깊이가 크기 때문에) 마그마로 채워져야 하므로 마그마가 표면으로 이동하여 이오의 화산 활동에 힘을 실어주는 데 어려움을 겪을 것입니다. "그리고 어느 정도 깊이에서는 깊은 마그마 바다와 액체 코어를 구별하는 것이 까다로워집니다."라고 박씨는 말했습니다.
어떤 사람들에게는 이것이 화해할 수 없는 문제를 야기합니다. 갈릴레오의 자력계는 얕은 마그마 바다의 징후를 감지했지만 Juno 중력 데이터는 이를 단호하게 배제했습니다. 브리검 영 대학교의 행성 지질학자인 Jani Radebaugh는 "사람들은 자력계 결과에 대해 실제로 이의를 제기하지 않으므로 이를 다른 모든 것과 일치시켜야 합니다."라고 말했습니다.
연구자들은 갈릴레오 데이터의 최선의 해석에 동의하지 않습니다. 이번 연구의 공동 저자이자 캘리포니아 대학 산타크루즈 캠퍼스의 행성 과학자인 프란시스 니모(Francis Nimmo)는 자기 신호가 “아마도 마그마 바다에 대한 가장 좋은 증거로 받아들여졌지만 실제로는 그렇게 강하지 않았다”고 말했습니다. 유도 데이터는 부분적으로 녹은(그러나 여전히 단단한) 내부와 완전히 녹은 마그마 바다를 구별할 수 없다고 그는 말했습니다.
중수
아마도 과학자들이 Io를 연구하는 주된 이유는 그것이 조석 가열의 기본에 대해 가르쳐 주기 때문일 것입니다. Io의 조력 가열 엔진은 여전히 인상적입니다. 화산을 공급하는 마그마가 많이 생성되고 있는 것이 분명합니다. 하지만 지하에 마그마 바다가 생성되지 않는다면 조석 가열로 바다 바다도 생성되지 않는다는 뜻인가요?
과학자들은 그렇다고 확신하고 있습니다. 토성의 달인 엔셀라두스가 조석으로 가열되어 지하에 바닷물이 있다는 사실을 의심하는 사람은 아무도 없습니다. 카시니 우주선은 그 존재의 흔적을 발견했을 뿐만 아니라 달의 남극에서 분출되는 일부를 직접 샘플링했습니다. 유로파에 바다가 있는지에 대해 다소 회의적인 시각이 있지만 대부분의 과학자들은 바다가 있다고 생각합니다.
2022년 주노 우주선이 촬영한 목성의 얼음 달 유로파의 매끄럽고 살짝 긁힌 표면은 그 아래에 무엇이 있는지, 아마도 광대한 바닷물 바다가 있는지 전혀 보여주지 않습니다.
NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS
결정적으로, 바다만큼의 액체가 숨겨져 있음을 나타내는 것처럼 보였던 이오의 이상한 자기장과는 달리, 유로파의 갈릴레오 시대 자기 신호는 여전히 강력합니다. 제트추진연구소의 유로파 임무 프로젝트 과학자인 로버트 파팔라르도(Robert Pappalardo)는 "유로파에서는 매우 깨끗한 결과입니다."라고 말했습니다. 얼음 달은 목성과 플라즈마로 가득 찬 이오의 우주 환경에서 충분히 멀리 떨어져 있어 유로파 자체의 자기 유도 신호가 "정말로 눈에 띕니다."
그러나 두 달 모두 조석으로 가열된다면 왜 유로파에만 내부 바다가 있습니까? Nimmo에 따르면, "액체 물 바다와 마그마 바다 사이에는 근본적인 차이가 있습니다. 마그마는 탈출하기를 원하지만 물은 실제로 그렇지 않습니다." 액체 암석은 고체 암석보다 밀도가 낮기 때문에 빨리 솟아 오르고 분출하기를 원합니다. 새로운 연구는 그것이 이오 내부에 거대하고 상호 연결된 바다를 형성할 만큼 충분히 오래 머물지 않는다는 것을 시사합니다. 그러나 액체 물은 특이하게도 고체 얼음 형태보다 밀도가 더 높습니다. 소리는 “액체 물은 무거워서 바다로 모인다”고 말했습니다.
소리는 “이것이 이 논문의 큰 그림 메시지라고 생각합니다.”라고 덧붙였습니다. 조석 가열은 마그마 바다를 생성하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 그러나 얼음이 많은 달에서는 얼음의 밀도가 기이하게 낮기 때문에 바다를 쉽게 만들 수 있습니다. 그리고 이는 태양계 전체에 생명체가 집이라 부를 수 있는 잠재적으로 거주 가능한 환경이 많이 있다는 것을 의미합니다.
지옥의 포스터 차일드
이오에 얕은 마그마 바다가 없다는 사실은 조석 가열에 대해 알려진 바가 얼마나 적은지를 강조합니다. “우리는 이오 내부의 어디에서 맨틀이 녹고 있는지, 그 녹은 맨틀이 어떻게 표면으로 올라가는지 전혀 이해하지 못했습니다.” 드 클레어의 말입니다.
우리 달도 원시 조수 가열의 증거를 보여줍니다. 가장 오래된 결정은 45억 1천만년 전에 거대한 충격 사건으로 인해 지구에서 폭발한 용융 물질의 흐름에서 형성되었습니다. 그러나 많은 달 결정체는 43억 5천만년 전 두 번째 용융 암석 저장소에서 형성된 것으로 보입니다. 그 나중에 나온 마그마는 어디서 왔나요?
Nimmo와 공동 저자는 Nature에 게재된 논문에서 하나의 아이디어를 제시했습니다. 12월:어쩌면 지구의 달은 이오와 같았을지도 모릅니다. 그 당시에는 달이 지구에 훨씬 더 가까웠고, 지구와 태양의 중력장이 통제권을 놓고 싸우고 있었습니다. 특정 임계값에서 두 가지의 중력 영향이 대략 같을 때 달은 일시적으로 타원형 궤도를 채택하고 지구의 중력 반죽으로 인해 조석적으로 가열되었을 수 있습니다. 내부가 다시 녹아서 놀랍게도 2차 화산 활동이 번성했을 수도 있습니다.
그러나 달 내부의 정확히 어디에서 조석 가열이 집중되었는지, 즉 모든 녹는 현상이 어디서 발생했는지는 확실하지 않습니다.
아마도 Io가 이해될 수 있다면 우리의 달과 숨겨진 조석 엔진이 있는 태양계의 다른 여러 위성도 이해될 수 있을 것입니다. 현재로서는 이 화산 구체는 미치도록 불가해한 상태로 남아 있습니다. “이오는 복잡한 짐승이에요.” 데이비스가 말했습니다. "우리가 그것을 더 많이 관찰할수록 데이터와 분석이 더 정교해지고, 더 혼란스러워집니다."
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