콰오어(Quaoar): "임파서블" 링 미스터리
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-02-16 10:10:03
3'30" 읽기
-로슈 한계를 너어선 ㄹ고리, 왜소 행성 주변 널은 고리는 현재 이론과 모순 ㅗㅇ명
-뭉치기에는 차갑고 가루 눈 형태, 공명효과로 보호되는 것일까?
고리는 행성에서 드문 일이 아니다. 태양계의 네 개의 외부 행성은 모두 먼지 벨트와 얼음 덩어리로 둘러싸여 있으며 토성의 고리 시스템은 지금까지 가장 크고 가장 복잡하다. 천문학자들이 외계 행성 주변의 고리를 발견했다. 최근에는 소행성 Chariklo와 외부 태양계의 난쟁이 행성 Haumea도 고리 운반자로 밝혀졌다.
로슈 한계 - 안정적인 고리에 대한 한계
이러한 모든 링과 링 시스템에는 한 가지 공통점이 있다. 즉, 소위 Roche 한계 내에 있거나 바로 그 밖에 있다. 이 한계는 행성이나 다른 천체의 기조력이 너무 강하게 작용하여 위성을 찢고 달의 형성을 막을 수 있음을 나타낸다. 따라서 이 로슈 구역 내에서 얼음과 먼지 입자는 더 큰 물체로 모일 수 없다. 달이 안정적으로 유지되지 않는다.
링의 경우 현재 모델에 따르면 Roche 한도 내에서만 영구적으로 보관될 수 있다. 이 한계를 넘어서면 조석력은 입자가 축적되는 것을 방지하기에 충분하지 않다. 몇 년 또는 수십 년 안에 소형 Trabant가 그러한 고리에서 나타날 것이다. 적어도 이것이 일반적인 생각이다.
난쟁이 행성 Quaoar의 명소
그러나 이제 천문학자들은 이 가정과 모순되는 "반지 전달자"를 발견했다. 리우데자네이루 국립 천문대의 브루노 모르가도가 이끄는 팀은 실제로 왜행성 후보인 콰오어의 모양과 구성을 더 면밀히 조사하기를 원했다. 폭이 약 1,100km인 이 물체는 해왕성 너머 80km 폭의 달 Weywot와 함께 태양 주위를 공전하므로 명왕성과 해왕성 횡단 물체인 Haumea와 같다.
연구를 위해 천문학자들은 Quaoar가 더 먼 별 바로 앞을 지나갈 때를 여러 번 결정했다. 이러한 항성 엄폐를 통해 별빛 그림자 및 분광 서명을 기반으로 가려진 물체에 대해 더 많이 알 수 있다. 2018년에서 2021년 사이에 Morgado와 그의 팀은 La Palma의 Gran Telescopio Canarias(GTC)와 ESA의 CHEOPS 위성을 포함해 다양한 망원경으로 이러한 별이 엄폐되는 것을 여러 번 관찰했다.
로슈 한계를 넘어선 링
관찰 결과 예상치 못한 사실이 밝혀졌다. Morgado는 "우리는 Quaoar 자체에 의한 것이 아니라 주변의 원형 궤도에 있는 물질의 존재를 나타내는 밝기 감소를 보았다"고 말했다. "그래서 우리가 여기 Quaoar 주변의 고리를 보고 있다는 것이 분명했다." 이 고리는 비교적 좁고 불규칙한 모양이며 약간 울퉁불퉁해 보인다. 이것은 천문학자들이 설명하는 것처럼 토성의 나선형 F 고리와 유사하게 만든다.
Quaoar 고리의 위치는 더 이상하다. "다른 모든 알려진 밀도가 높은 고리와 달리 Quaoar의 고리는 고전적인 Roche 한계를 훨씬 벗어났다"라고 연구원은 말했다. 고리는 왜소행성 표면에서 약 4,100km 떨어져 있지만 왜소 행성의 로슈 경계는 약 1,780km에 불과하다. 공동 저자인 Sheffield 대학의 Vik Dhillon은 "태양계에서 이 새로운 고리 시스템을 발견한 것은 전혀 예상치 못한 일이었지만, 이 고리가 Quaoar에서 멀리 떨어져 있다는 것은 두 배로 예상치 못한 일이었다. 이것은 일반적인 가정에 도전한다”고 말했다.
뭉치기엔 너무 추워?
Quaoar의 고리는 오랫동안 안정적으로 유지되기에는 너무 멀리 떨어져 있다. "지금까지 로슈 한계를 벗어난 물질은 실제로 수십 년 내에 축적되어야 한다"고 천문학자들은 설명했다. "이것은 우리에게 매우 젊거나 매우 얇은 고리를 남기거나 Roche 한계에 대한 가정을 수정해야 한다." 그러나 연구자에 따르면 처음 두 가지 옵션은 특히 고리가 상대적으로 작아야 하기 때문에 다소 가능성이 낮다. 오컬트에 보이는 별을 견딜 수 있도록 밀도가 높다.
그렇다면 지금까지 "안락한 영역" 밖에 있는 이 고리의 존재를 무엇으로 설명할 수 있을까? 한 가지 가능성은 이 지역의 극심한 추위가 얼음 입자의 표면을 덜 "끈적거리게" 만드는 방식으로 변화시킨다는 것이다. 그러면 그 효과는 눈덩이로 뭉치기 어려운 차가운 눈가루와 비슷하다.
아니면 공명 효과로 보호될까?
천문학자들에 따르면 궤도 공명 효과가 고리를 안정화시키는 것도 생각할 수 있다. Quaoar의 고리는 Morgado와 그의 동료들이 설명하는 것처럼 소위 1/3 스핀 궤도 공명 범위에 있기 때문이다. 이 영역에서는 회전하는 입자의 경로와 속도에 영향을 줄 수 있는 중력 상호 작용이 발생한다.
"이것이 확인되면 공명은 이중 역할을 할 수 있다. 이 좁은 영역으로 고리를 제한하고 입자와 덩어리 사이의 속도 차이를 충분히 높게 유지하여 더 이상의 부착을 방지할 수 있다"고 천문학자들은 기술했다. 어쨌든 Quaoar 주변의 넓은 고리는 고리가 Roche 한계 내에서만 살아남는다는 고전적 개념을 수정해야 함을 의미한다.
(nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-022-05629-6)
출처: Nature, ESA, University of Sheffield
-로슈 한계를 너어선 ㄹ고리, 왜소 행성 주변 널은 고리는 현재 이론과 모순 ㅗㅇ명
-뭉치기에는 차갑고 가루 눈 형태, 공명효과로 보호되는 것일까?
콰오어(Quaoar): "임파서블" 링 미스터리
‘transneptunian dwarf’ 행성 주변의 넓은 고리는 현재 모델과 모순
천문학자들은 해왕성 너머 궤도를 도는 왜성 Quaoar 주변에서 설명할 수 없는 고리를 발견했다. 이전에 알려진 모든 고리와 달리 새로 발견된 고리는 소위 로슈 한계(Roche limit) - 고리가 보존되고 조밀한 위성으로 응집되지 않는 영역을 훨씬 넘어섰기 때문이다. Quaoar 고리가 존재하는 이유는 아직 명확하지 않다. 연구원들이 "Nature"에 보고한 것처럼 현재의 이론이 수정되어야 할 수도 있다.
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| ▲ 해왕성 너머 궤도를 도는 난쟁이 행성인 Quaoar에는 현재 모델과 위치가 모순되는 고리가 있다. © ESA /CC-by-sa 3.0 IGO |
고리는 행성에서 드문 일이 아니다. 태양계의 네 개의 외부 행성은 모두 먼지 벨트와 얼음 덩어리로 둘러싸여 있으며 토성의 고리 시스템은 지금까지 가장 크고 가장 복잡하다. 천문학자들이 외계 행성 주변의 고리를 발견했다. 최근에는 소행성 Chariklo와 외부 태양계의 난쟁이 행성 Haumea도 고리 운반자로 밝혀졌다.
로슈 한계 - 안정적인 고리에 대한 한계
이러한 모든 링과 링 시스템에는 한 가지 공통점이 있다. 즉, 소위 Roche 한계 내에 있거나 바로 그 밖에 있다. 이 한계는 행성이나 다른 천체의 기조력이 너무 강하게 작용하여 위성을 찢고 달의 형성을 막을 수 있음을 나타낸다. 따라서 이 로슈 구역 내에서 얼음과 먼지 입자는 더 큰 물체로 모일 수 없다. 달이 안정적으로 유지되지 않는다.
링의 경우 현재 모델에 따르면 Roche 한도 내에서만 영구적으로 보관될 수 있다. 이 한계를 넘어서면 조석력은 입자가 축적되는 것을 방지하기에 충분하지 않다. 몇 년 또는 수십 년 안에 소형 Trabant가 그러한 고리에서 나타날 것이다. 적어도 이것이 일반적인 생각이다.
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| ▲ Quaoar 주변의 Roche 제한 및 링 위치. © Paris Observatory |
난쟁이 행성 Quaoar의 명소
그러나 이제 천문학자들은 이 가정과 모순되는 "반지 전달자"를 발견했다. 리우데자네이루 국립 천문대의 브루노 모르가도가 이끄는 팀은 실제로 왜행성 후보인 콰오어의 모양과 구성을 더 면밀히 조사하기를 원했다. 폭이 약 1,100km인 이 물체는 해왕성 너머 80km 폭의 달 Weywot와 함께 태양 주위를 공전하므로 명왕성과 해왕성 횡단 물체인 Haumea와 같다.
연구를 위해 천문학자들은 Quaoar가 더 먼 별 바로 앞을 지나갈 때를 여러 번 결정했다. 이러한 항성 엄폐를 통해 별빛 그림자 및 분광 서명을 기반으로 가려진 물체에 대해 더 많이 알 수 있다. 2018년에서 2021년 사이에 Morgado와 그의 팀은 La Palma의 Gran Telescopio Canarias(GTC)와 ESA의 CHEOPS 위성을 포함해 다양한 망원경으로 이러한 별이 엄폐되는 것을 여러 번 관찰했다.
로슈 한계를 넘어선 링
관찰 결과 예상치 못한 사실이 밝혀졌다. Morgado는 "우리는 Quaoar 자체에 의한 것이 아니라 주변의 원형 궤도에 있는 물질의 존재를 나타내는 밝기 감소를 보았다"고 말했다. "그래서 우리가 여기 Quaoar 주변의 고리를 보고 있다는 것이 분명했다." 이 고리는 비교적 좁고 불규칙한 모양이며 약간 울퉁불퉁해 보인다. 이것은 천문학자들이 설명하는 것처럼 토성의 나선형 F 고리와 유사하게 만든다.
Quaoar 고리의 위치는 더 이상하다. "다른 모든 알려진 밀도가 높은 고리와 달리 Quaoar의 고리는 고전적인 Roche 한계를 훨씬 벗어났다"라고 연구원은 말했다. 고리는 왜소행성 표면에서 약 4,100km 떨어져 있지만 왜소 행성의 로슈 경계는 약 1,780km에 불과하다. 공동 저자인 Sheffield 대학의 Vik Dhillon은 "태양계에서 이 새로운 고리 시스템을 발견한 것은 전혀 예상치 못한 일이었지만, 이 고리가 Quaoar에서 멀리 떨어져 있다는 것은 두 배로 예상치 못한 일이었다. 이것은 일반적인 가정에 도전한다”고 말했다.
뭉치기엔 너무 추워?
Quaoar의 고리는 오랫동안 안정적으로 유지되기에는 너무 멀리 떨어져 있다. "지금까지 로슈 한계를 벗어난 물질은 실제로 수십 년 내에 축적되어야 한다"고 천문학자들은 설명했다. "이것은 우리에게 매우 젊거나 매우 얇은 고리를 남기거나 Roche 한계에 대한 가정을 수정해야 한다." 그러나 연구자에 따르면 처음 두 가지 옵션은 특히 고리가 상대적으로 작아야 하기 때문에 다소 가능성이 낮다. 오컬트에 보이는 별을 견딜 수 있도록 밀도가 높다.
그렇다면 지금까지 "안락한 영역" 밖에 있는 이 고리의 존재를 무엇으로 설명할 수 있을까? 한 가지 가능성은 이 지역의 극심한 추위가 얼음 입자의 표면을 덜 "끈적거리게" 만드는 방식으로 변화시킨다는 것이다. 그러면 그 효과는 눈덩이로 뭉치기 어려운 차가운 눈가루와 비슷하다.
아니면 공명 효과로 보호될까?
천문학자들에 따르면 궤도 공명 효과가 고리를 안정화시키는 것도 생각할 수 있다. Quaoar의 고리는 Morgado와 그의 동료들이 설명하는 것처럼 소위 1/3 스핀 궤도 공명 범위에 있기 때문이다. 이 영역에서는 회전하는 입자의 경로와 속도에 영향을 줄 수 있는 중력 상호 작용이 발생한다.
"이것이 확인되면 공명은 이중 역할을 할 수 있다. 이 좁은 영역으로 고리를 제한하고 입자와 덩어리 사이의 속도 차이를 충분히 높게 유지하여 더 이상의 부착을 방지할 수 있다"고 천문학자들은 기술했다. 어쨌든 Quaoar 주변의 넓은 고리는 고리가 Roche 한계 내에서만 살아남는다는 고전적 개념을 수정해야 함을 의미한다.
(nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-022-05629-6)
출처: Nature, ESA, University of Sheffield
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