토성의 위성 ‘미마스’ 바다를 품고 있다

NASA ‘카시니’ 관측 자료로 궤도 분석
회전 가속도에 저항하는 관성 작용
표면층 두꺼워 바다의 존재 몰랐다
“비교적 어린 바다, 해양 위성 형성 단서”

토성의 위성 미마스./네이처

토성의 위성 미마스./네이처

토성의 146개 위성 중 하나인 미마스(Mimas)에 바다가 존재한다는 분석이 나왔다. 미마스에 대한 궤도 관측을 토대로 분석해보니 중심부가 고체만으로 이뤄지려면 ‘팬케이크’ 모양이어야 하는데 실제로 그렇지 않다는 결과가 나온 것이다.

발레리 레이니(Valery Lainey) 프랑스 PSL연구대 파리관측소 천문과학자 연구팀은 토성의 위성 미마스 내부에 바다가 존재할 수 있다는 내용의 연구결과를 8일 국제학술지 네이처(Nature)에 발표했다.

미마스는 1789년 영국 천문학자 윌리엄 허셜(William Herschel)이 발견한 토성을 모행성으로 하는 작은 위성이다. 미마스는 평균 지름이 서울에서 부산 정도의 거리인 396.4㎞로, 타원체의 모습을 갖춘 태양계 천체 중 질량이 가장 작다. 미마스는 지름의 3분의 1 크기인 139㎞ 지름의 ‘허셜 분화구’를 가진 것이 특징이다.

미마스의 또 다른 특징은 약간 길쭉한 타원 모양을 하고 있다는 것이다. 미마스는 토성과 자전 주기가 같아 위성의 한쪽 면이 계속 모행성을 바라보는 동기 위성이기 때문이다. 미마스의 형태에 따라 천문학계에서는 두 가지 가능성이 제시됐다. 미마스 내부에 고체로 이뤄진 암석 중심부가 있다는 것과 지구처럼 내부에 액체가 있을 것이라는 가설이다.

그동안 미마스를 두고 우세했던 건 중심부가 암석으로 이뤄졌다는 가설이었다. 태양계에 내부에 바다가 있는 위성은 목성의 유로파와 토성의 엔켈라두스 정도다. 특히 미마스는 이 위성들이 바다를 유지하는 조건과 바다의 존재를 나타내는 방식이 달랐기 때문에 위성 내부에 바다가 있을 것이라고 예상하지 않은 것이다. 유로파와 엔켈라두스는 표면에 발생한 균열로 수증기가 우주로 분출되기도 한다.

그래픽=정서희

연구팀은 미마스의 속을 들여다보기 위해 토성 인근을 탐사한 미항공우주국의 카시니(Cassini) 우주선으로 관측한 자료를 분석했다. 특히 미마스의 궤도와 자전 속도와 같은 위성의 움직임에 집중했다. 분석 결과, 타원형 달걀 모양의 미마스는 같은 궤도를 따르지 않고 역회전하는 힘에 따라 일정하게 궤도를 바꿔 움직이고 있었다.

연구팀은 위성의 회전 가속도에 저항하는 특이한 관성이 작용했다고 보고 미마스의 중심부가 고체일 경우와 액체가 있을 경우를 나눠 시뮬레이션했다. 연구팀 시뮬레이션에 따르면 미마스 내부가 고체로만 이뤄졌을 경우 위성의 형태가 팬케이크처럼 납작해야 한다는 결과가 나왔다. 오히려 표면과 중심부 사이가 액체로 이뤄졌을 경우 현재 미마스의 형태에 가깝다는 결론을 내렸다.

미마스 속에 있는 바다는 다른 해양 위성들보다 비교적 최근 생긴 것으로 보인다. 연구팀은 미마스가 다른 해양 위성들과 표면과 바다 사이 두께가 20~30㎞에 달해 수증기가 뿜어져 나오지 않는다고 설명했다. 외부 충돌로 엄청난 크기의 허셜 분화구가 생겼지만, 수증기가 빠져 나올만한 틈이 없다는 것도 ‘어린 바다’의 근거로 제시됐다. 연구팀은 미마스의 바다가 2500만 년에서 200만 년 전 사이에 형성된 것으로 봤다.

알리사 로덴(Alyssa Rhoden) 미국 사우스웨스트연구소 수석과학자는 네이처에 “(이번 연구는) 미마스의 최근 과정이 바다를 가진 다른 위성의 형성 초기 단계에서 일반적이었을 수도 있다는 것을 의미한다”며 “(미마스가) 상대적으로 어린 바다를 가졌다는 생각은 고무적이며, 변혁적 과정이 미마스에서도 일어났다는 가능성도 마찬가지”라고 이번 연구를 평가했다.

그러면서 “미마스의 숨겨진 바다는 직관은 가설을 생성하는 데 탁월하지만, 결론을 도출하는 데 충분하지 않다”며 “연구자들은 새로운 아이디어와 예상치 못한 가능성에 충분히 열려 있어야 한다”고 강조했다.

참고자료

Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06975-9

Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00194-6

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