재미있는 과학이야기 - 목성의 위성 유로파, 밤에도 특별한 빛을 내는 이유

재미있는 과학이야기 - 유로파가 밤에도 특별한 빛을 내는 이유

NASA의 과학자들이 새로운 실험으로 유로파의 환경을 재창조하고 얼음 같은 유로파가 심지어 밤에도 밝게 빛난다는 것을 발견했습니다. 

외부는 얼어있고 내부에 바다가 있을것으로 예상되는 목성의 위성인 유로파가 목성을 공전할 때, 이 위성은 목성에서 방출하는 엄청난 방사능에 끊임없이 노출됩니다. 

목성은 밤낮으로 전자와 다른 입자로 유로파의 표면을 고에너지 방사선으로 샤워시킬 정도로 퍼붓습니다. 하지만 이 입자들이 유로파의 표면을 때리면서, 그들은 또한 다른 세계를 만들고 있을지도 모릅니다. 어쩌면 어둠 속에서 유로파를 빛나게 하는 것입니다.

남부 캘리포니아에 있는 NASA의 제트추진연구소의 과학자들이 처음으로 실시한 새로운 연구는 빛이 어떤 모습일지, 그리고 유로파 표면의 얼음 구성에 대해 어떤 것이 밝혀질 수 있을것으로 보입니다.

모든 염분 화합물들은 방사선에 다르게 반응하고 그들만의 독특한 빛을 방출하게 됩니다. 육안으로 볼때 이 빛은 때로는 약간 녹색으로 보이기도 하고, 약간 파랗거나 희게 보이기도 하고, 어떤 재료에 따라 밝기의 정도가 달라 보이기도 합니다.

과학자들은 분광계를 사용하여 빛을 파장으로 분리하고 구별되는 "signatures" 즉 스펙트럼을 얼음의 다른 구성에 연결합니다. 유로파와 같은 위성에서 분광계를 이용한 관측은 대부분 위성의 낮에 반사된 햇빛을 이용하여 얻지만, 이러한 새로운 결과는 유로파가 어둠 속에서 어떤 모습일지 밝혀줍니다.

"우리는 이 야간 얼음 광선이 유로파의 표면 구성에 대한 추가 정보를 제공할 수 있을 것이라고 예측할 수 있었습니다." 11월 9일 네이처 천문학에서 출판된 이 작품의 수석 저자인 JPL의 Murthy Gudipati는 "유로파가 생명에 적합한 조건을 지니고 있는지 여부에 대한 단서를 제공할 수 있다"고 말했습니다.

그것은 유로파는 두꺼운 얼음 층을 아래 거대하고 지구보다 많은 양의 내부 바다를 보유하고 있기 때문입니다. 표면을 분석함으로써, 과학자들은 그 아래에 무엇이 있는지 더 많이 알수 있습니다.

과학자들은 이전의 관측을 통해 유로파의 표면이 얼음과 지구에서 흔한 황산 마그네슘, 염화나트륨과 같은 소금으로 혼합되어 만들어질 수 있다고 추론해 왔습니다. 이 새로운 연구는 유로파와 같은 조건에서 이 염분을 얼음 속에 넣고 그것을 방사선과 함께 폭파시키면 빛이 난다는 것을 보여줍니다.

이것은 그다지 놀라운 일이 아니며 조사된 표면이 빛나는 것을 상상하는 것은 어렵지 않습니다. 과학자들은 이 방사선의 에너지 넘치는 전자가 표면을 관통하여 그 밑에 있는 분자에 에너지를 공급함으로써 발생한다는 것을 알고 있습니다. 그 분자들이 완화될때, 그들은 에너지를 가시광선으로 방출합니다.

JPL의 Bryana Henderson 박사는 "그러나 우리가 결국 무엇을 보게 될지는 상상도 못했습니다"고 말하며 "우리가 새로운 얼음 구성을 시도했을 때, 그 빛은 다르게 보였고 우리 모두는 잠시 그것을 응시하고 있다가 '이것은 새로운 것이지? 이것은 확실히 다른 광채인가?' 그래서 우리는 분광계를 가리켰고, 얼음의 종류마다 스펙트럼이 달랐습니다."

유로파 표면의 실험실 모형을 연구하기 위해, JPL 팀은 유로파의 고에너지 전자 및 방사선 환경 검사(ICE-HEART)를 위해 Ice Chamber라는 독특한 기구를 만들었습니다. 

그들은 ICE-HEART를 메릴랜드주 가이테스버그에 있는 고에너지 전자빔 시설로 가져갔고, 완전히 다른 연구를 염두에 두고 실험을 시작했습니다. 바로 유로파 얼음 아래의 유기 물질이 방사능의 폭발에 어떻게 반응하는지를 보기 위해서였습니다.

그들은 다른 얼음 구성에 묶인 빛 자체의 변화를 볼 것이라고 전혀 예상하지 못했고 그야말로 운이 좋았습니다.

이 논문의 공동저자인 Fred Bateman은 "광도가 현저히 낮은 염화 브린 나트륨을 본 것은 연구의 방향을 바꾼 '아하'의 순간이었다"고 말했습니다. 그는 이 실험을 도왔고 메릴랜드에 있는 국립표준기술연구소의 의료 산업 방사선 시설의 얼음 샘플에 방사선 빔을 전달하였습니다.

어두운 하늘에서 보이는 위성은 특이하게 보이지 않을 수도 있습니다. 지구의 달은 햇빛을 반사하기 때문에 그저 달의 모습을 보게 됩니다. 그러나 유로파의 빛은 전혀 다른 메커니즘에 의해 발생한다고 과학자들은 말하고 있습니다. 심지어 밤에도 계속해서 빛을 내는 달을 상상해 보면 이해가 될것입니다.

Gudipati는 "만약 유로파가 이 방사능에 노출되지 않았다면, 그것은 지구의 달이 우리에게 보이는 것처럼 보일 것"이라고 말했다. "하지만 목성의 방사선에 의해 폭격되기 때문에 어둠 속에서 빛을 발한다."라고 덧붙였습니다.

2020년대 중반에 발사될 예정인 NASA의 대표 임무인 유로파 클리퍼는 목성 궤도를 여러 번 돌면서 위성의 표면을 관측할 것입니다. 이 임무의 과학자들은 우주선의 과학 장비로 빛을 감지할 수 있는지 여부를 평가하기 위해 저자들의 연구 결과를 검토하고 있습니다. 탐사선에 의해 수집된 정보가 달 표면의 짠 성분을 식별하거나 새로운 연구에서 측정한 값과 일치할 수 있을 것인지 조사할것입니다.

Gudipati는 "실험실에 있으면서 '우리가 도착하면 이걸 찾을지도 모른다'고 말하는 경우가 흔치 않다."고 말했습니다. "보통 그 반대다. 거기 가서 뭔가를 먼저 찾아서 연구실에서 설명하려고 해. 그러나 우리의 예측은 단순한 관찰로 돌아가게 되고, 그것이 바로 과학이라는 것이다."라고 덧붙였습니다.