템펠 1 혜성과 딥 임팩트 미션
딥 임팩트
2005년 8월 31일
지난 7월 4일, 탐사선 '딥 임팩트'가 410킬로그램의 구리로 구성된 모듈을 방출하여, 1867년 4월에 마르세유 출신 천문학자 E.W. 템펠이 눈으로 발견한 혜성 템펠 1과 충돌시켰다는 소식이 전해졌다.
이 물체는 약 5.5년 주기로 궤도를 돌며 화성과 목성 사이를 공전한다. 가장 큰 치수는 약 6km로 추정된다. 따라서 NASA는 혜성의 구성과 내부 구조를 더 잘 이해하기 위해, 혜성에 물체를 충돌시키는 목적으로 탐사선을 발사했다.
다음은 궤도입니다:
화성과 목성 사이를 공전하는 템펠 1 혜성의 궤도. 태양에 가장 가까운 지점에서, 수성 궤도의 비원형이 뚜렷하게 나타나 있습니다. 위쪽 갈색 궤도에서, 탐사선 발사 당시 혜성이 위치한 지점을 확인할 수 있습니다. 파란색 원형 궤도는 지구의 궤도이며, 위쪽에 있는 점은 탐사선 발사 당시 지구가 위치한 지점입니다. 6개월 후(지구 궤도의 반절), 충돌이 발생합니다. 동일한 시간 간격 동안 혜성과 탐사선이 이동한 곡선 거리를 측정해 보세요. 혜성이 더 빠르게 움직입니다.
충돌 궤도에 대한 보다 정확한 설명을 위해 다음 주소를 확인하세요:
http://deepimpact.umd.edu/amateur/where_is.shtml
매우 멋진 애니메이션을 확인할 수 있습니다.
먼저 두 개의 버튼이 있는데, 이는 시점의 각도를 조절할 수 있게 해줍니다. 이로 인해 혜성 궤도가 적도면에 상당히 기울어져 있음을 알 수 있습니다.
이 기울기가 템펠 1이 생존할 수 있었던 이유입니다. 혜성은 여러 종류가 있습니다. 일부는 '비주기적'이라고 불리며, 태양계에 한 번만 들어와 더 이상 활동하지 않는 경우가 있습니다. 실제로 우리는 태양계 외곽에 위치해 있을 것으로 추정되는 거대한 '구름' 또는 혜성의 저장소에 대해 거의 알지 못합니다. 이 구름의 기원은 무엇일까요? 태양계가 어린 시절, 행성들이 형성되면서 여러 메커니즘이 작용합니다. 가장 이해하기 쉬운 것은 '자식을 삼키는 것'(카니발리즘)으로, 작은 물체가 큰 물체와 직진 충돌하여, 큰 물체가 작은 물체를 자신의 질량에 흡수하는 현상입니다. 두 번째 메커니즘은 '양력 효과'입니다. 수학적으로 말해 이는 '만남'(encounter, 가스의 운동 이론에서 유래한 영어 단어)입니다. 초기 태양계는 '충돌성'이 강합니다. 이러한 충돌들은 모든 종류의 물체에 대해 맥스웰-볼츠만 속도 분포를 만들어냅니다. 이는 '다중 인구 시스템'입니다. 각 인구군은 열역학적 평형 상태에 도달하려는 경향이 있습니다. 두 가지 기체가 열역학적 평형 상태에 있을 때(예: 태양을 구성하는 플라즈마), 각 인구군의 평균 운동 에너지는 서로 같으며, 질량 비율과 비례합니다. 수소 플라즈마를 예로 들어보면, 전자는 수소 핵보다 약 1850배 가볍습니다. 따라서 전자의 열적 진동 속도는 수소 이온보다 루트 1850배 더 빠르며, 약 43배 빠릅니다.
무거운 종과 가벼운 종의 혼합은 가벼운 종을 가속시키는 경향이 있습니다(예: '염분이 섞인 물증기' 또는 '염분이 섞인 얼음'이 될 초기 혜성). 따라서 태양계는 수많은 작은 물체를 방출했습니다. 일부는 태양에 대한 탈출 속도를 얻어 우주 간의 공간으로 사라졌고, 다른 일부는 우리 '큰 외곽'에 남아 있었습니다. 이러한 '만남'은 양방향으로 작용하지만, 전반적으로는 작은 물체를 가속시키므로 맥스웰-볼츠만 분포에서 낮은 속도를 가진 물체들이 증가하게 됩니다. 많은 작은 물체들이 느려졌고, 예를 들어 태양에 떨어지거나, 지구와 같은 지구형 행성에 충돌하여 해양 질량을 형성할 수도 있습니다.
템펠 1은 중간적인 운명을 가진 혜성입니다. 그는 행성들과 비슷한 속도를 얻었지만, 운명적으로 기울어진 궤도에 위치하게 되어 행성들과의 나쁜 만남 위험을 줄일 수 있었습니다. 모든 행성들은 템펠 1보다 무겁기 때문에, 충돌 시 궤도가 반드시 왜곡되었을 것입니다. 실제로 이 궤도는 발견 이후 약간 변형되었습니다. 구글을 통해 역사적 자료를 확인해 보세요. 왜 템펠 1은 하일리 혜성보다 덜 가스를 방출할까요? 좋은 질문입니다. 가스 방출에 대해 우리는 거의 알지 못하며, 혜성의 내부 구조에 대해서도 거의 알지 못합니다.
실제로 지구도 가스를 방출하고 있습니다. 이 현상은 화산 활동이라고 불립니다. 이는 목성의 조석 효과(예: 이오 위성에 대한 조석 효과)에 의해 강화됩니다. 이오가 이웃 행성과 가까워지자 매우 뜨거운 반응을 보이는 이유는 이오가 스스로 자전하기 때문입니다. 만약 이오가 거대 행성과 동기화되어 있었다면, 이토록 강한 화산 활동은 발생하지 않았을 것입니다. 게다가 이오는 목성에 매우 가깝습니다.
혹시 혜성의 가스 방출 활동이 자기 회전 주기와 관련이 있을까요? 자전하는 혜성은 행성 근처에서 조석 효과에 더 민감해질 것입니다. 실제로 혜성이 목성 궤도 내부로 들어갈 때 가스를 방출하는 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 태양으로부터 더 많은 복사 에너지를 받기 때문일까요? 만약 가스 방출이 표면의 단순한 승화라면 그렇습니다. 하지만 가스 방출이 내부에서 발생하는 폭발이라면 아닙니다. 실제로 고트 탐사선이 하일리 혜성에 접근할 때의 이미지를 보면, 폭발적인 분출원이 명확히 보입니다. 따라서 혜성이 태양계에 다시 들어올 때 활동이 재개되는 것은, 자기 회전으로 인해 조석 효과로 인해 내부가 강하게 혼합되어 발생하는 현상일 수 있습니다. 회전 주기를 측정했는지 확인해 보세요.
이 관점에서 템펠 1은 자기 회전이 적어 조석 효과에 덜 민감하고, 따라서 화산 활동(이오에서)이나 가스 방출(혜성에서)을 유발하는 내부 혼합이 덜 일어나는 상대적으로 덜 활동적인 물체일 수 있습니다. 브라히크에게 이에 대해 어떻게 생각하는지 물어보세요. 행성학은 그의 전문 분야입니다.
여러 물체의 위치는 자유롭게 설정할 수 있습니다. 먼저 탐사선 딥 임팩트가 궤도에 진입한 후 템펠 1 혜성에 접근하는 모습을 보여줍니다. 충돌 시점인 7월 4일을 주목하세요. 미국인들은 우주 임무의 성과를 이렇게 기념하며, 탐사선의 궤도 제어 능력을 과시합니다. 이 날짜는 미국 독립 기념일과 일치하며, 단순한 우연이 아닙니다.
애니메이션을 자세히 관찰하면, 템펠 1이 탐사선보다 더 빨리 회전하고 있음을 알 수 있으며, 결국 탐사선을 따라잡습니다. 사실은 혜성이 탐사선을 충돌시키는 것이지, 그 반대가 아닙니다. 그러나 큰 의미는 없습니다. 다음 이미지는 두 달 후의 상황입니다. 혜성이 탐사선을 충돌하거나, 충돌을 위해 분리된 물체를 향해 접근하고 있습니다.
충돌 5분 전 촬영한 혜성 이미지입니다:
혜성. 충돌 5분 전 촬영한 이미지
탐사선과 충돌 물체
충돌 물체에는 카메라가 장착되어 있었습니다.
충돌 190초 전의 확대 이미지. 밝은 점들은 가스 방출의 원천일까?
예술가의 그림으로, 방패 형태의 충돌 물체가 접근하는 모습을 보여줍니다. 가스 방출 원천을 표시했습니다.
충돌이 발생합니다.
충돌 후 67초
두 물체 간 상대 속도는 3.5km/s입니다(이 속도는 탐사선의 궤도 속도보다 낮습니다. 궤도 속도는 반드시 지구 주위를 도는 속도보다 높아야 하며, 정확한 값은 기억이 안 나지만 약 9km/s에 가깝습니다). 충돌은 탐사선이 촬영하고 있으며, 혜성에서 10km 떨어진 거리에서 계속 비행을 이어갑니다. 충돌 지점은 혜성 자체에 의해 빠르게 가려집니다. 두 물체는 3.5km/s로 멀어지므로, 탐사선은 방출된 물질이 흩어진 후 충돌 지점의 상태를 정확히 촬영할 수 없습니다.
몇 초 안에 탐사선이 혜성에서 멀어지며, 방출된 물질이 흩어진 후 새로운 크레이터를 촬영할 수 없습니다.
이 방출 물질은 수시간 동안 빛을 방출할 것입니다. 매우 뜨거운 상태입니다. 가시광선 범위에서 이미지를 촬영할 수 있다면, 스펙트로미터는 수천 도의 온도를 기록하며, 이는 자외선 영역에서 방출이 일어나고 있음을 의미합니다.
이 사건에 대한 설명은 다음 사이트에서 제공됩니다:
http://www2.ifa.hawaii.edu/newsletters/article.cfm?a=234&n=21
이 미션의 목적은 혜성 내부를 구성하는 물질을 업데이트하고, 태양계가 약 1억 년밖에 되지 않았을 때의 잔재를 연구하는 것이었습니다. 연구자들은 또한 충돌로 인해 직접적으로 크레이터가 형성되는 모습을 보고 싶어 했습니다. 그러나 크레이터는 거의 보이지 않았으며, 방출된 물질이 상당히 투명한 상태여서, 천문학자들은 물질에 물, 이산화탄소, 일산화탄소, 다양한 탄화수소가 포함되어 있음을 확인했습니다. 방출 물질은 매우 다양한 속도로 방출되었으며, 평균적으로 약 500m/s였습니다(방출 속도의 변동은 동일한 질량을 가진 원자와 분자들 사이에서 설명이 필요합니다. 이는 혜성이 충돌에 대해 적극적으로 반응하여 추가적인 가스 방출을 일으켰을 가능성을 시사합니다). 영어 문장은 다음과 같습니다: "The opacity of the ejected material has made it difficult for scientists to see the crater, but at this point, it appears that the crater created by the impactor was on the high end of predictions, that is, about the size of a football field."
이제 다음 문장을 살펴보겠습니다:
Scientists are intrigued that materials detected in a pre-impact outburst have not yet been found in the post-impact data.
번역: 과학자들은 충돌 전 폭발에서 감지된 물질이 충돌 후 데이터에서 아직 발견되지 않았다는 사실에 흥미를 느꼈다.
하지만 주의 깊게 영상을 보면, 충돌 전 폭발(전 충돌 폭발)이 상당히 명확하게 구분됩니다.
왼쪽 첫 번째 이미지. 그 다음 전 충돌 폭발
충돌 본연의 이미지
이미지의 순서를 어떻게 찾는지
충돌 전의 이 빛 폭발은 무엇 때문일까요? 혜성의 '대기'와 충돌 물체의 상호작용 때문일 수 있습니다. 혜성은 태양 근처를 지날 때 가스를 방출합니다. 이 가스 방출은 혜성이 목성 궤도 반경의 구역에 들어설 때 발생합니다. 태양 복사가 혜성을 가열하면서 이 현상이 강화됩니다. 따라서 혜성이 목성 궤도를 넘어서 있을 때는 거의 보이지 않습니다. 예를 들어 하일리 혜성도 그렇습니다. 강하게 가스를 방출하는 혜성에 가까워질 때, 탐사선은 근접 이미지를 제공할 수 없습니다. 혜성은 가스를 방출할 뿐 아니라, 탐사선의 접근 속도에 따라 매우 강한 마모를 일으키는 입자도 방출합니다. 1992년 기록된 고트 미션은 하일리 혜성에 접근했으며, 탐사선은 방패를 장착했지만, 목표 혜성 근처에서 파손되었고, 일정 거리에서 신호를 중단했습니다.
고트 탐사선이 촬영한 하일리 혜성. 강한 가스 방출이 눈에 띕니다
더 가까이에서 촬영한 이미지. 가스와 먼지로 둘러싸인 혜성의 모습. 탐사선이 파손된 후 신호를 중단했습니다
템펠 1은 하일리 혜성보다 가스 방출률이 낮기 때문에 선택되었습니다. 그러나 혜성은 가스 환경과 함께 움직입니다. 하와이 천문대에서 촬영한 이미지를 보면 이를 확인할 수 있습니다:
하와이 천문대에서 촬영한 템펠 1 혜성
나의 충돌 영상 해석입니다:
이미지 A: 탐사선이 혜성 주변의 가스 층(가스 방출로 인한)에 아직 도달하지 않았음
이미지 B: 밀도 높은 층에서 발생하는 충격파의 첫 번째 빛
탐사선이 물체 표면에 직접 충돌하기 전에, 충격파가 반사되어 아치 모양의 빛이 나타납니다.
이미지 C: 충돌 전에 반사된 충격파
반사된 충격파가 상당히 두꺼운 것처럼 보일 수 있지만, 이는 충격파 자체가 아니라, 충격파가 방출하는 자외선에 의해 가스가 발광하는 현상입니다. 주변 가스는 형광 현상을 겪고 있습니다. 실제로 탐사선의 높은 침입 속도(3.5km/s)는 후속 가스를 강하게 압축하고, 수천 도까지 가열합니다. 충돌 전에 탐사선은 '대기 재진입' 현상을 겪습니다. 충격파 근처의 가스가 짧은 파장에서 방출을 일으킵니다. 다른 방출(가시광선 및 더 낮은 파장)은 자외선에 의한 형광 현상입니다. 반사된 충격파 역시 강한 충격파이며, 동일한 현상이 발생하므로, 두꺼워 보이는 것처럼 보입니다.
이미지 D: 혜성의 고체 표면에 충돌하는 순간
다양한 장비가 충돌 지점에 집중되었습니다: 허블 우주 망원경, 스피처 우주 망원경(적외선), 초광선 X선 망원경 찬드라, XMM 관측소(또한 X선), 스위프트 감마선 폭발 탐지기(가시광선, 자외선, X선, 감마선). 추가로 두 대의 전파망원경: 마이크로파 천문 위성과 오딘 위성은 혜성 내 수소의 존재를 탐지했습니다.
충돌 물체에서 마지막으로 전송된 이미지는 10km 거리에서 촬영되었으며, 약 4미터 정도의 세부 정보를 구별할 수 있었습니다. 다음과 같은 문장이 있습니다:
The bright flash resulting from the vaporization of the impactor when it collided with the comet was not reported as an obvious sudden increase as seen from Earth, but the two cameras on the flyby portion of the Deep Impact spacecraft did record the event.
420킬로그램의 구리로 구성된 충돌 물체가 3.5km/s 속도로 혜성 표면에 충돌할 때 강한 빛이 방출될 것으로 예상되었습니다(증발하면서). 그러나 지구 기반 장비에서는 이 플래시가 기록되지 않았습니다(...). 그러나 탐사선에 탑재된 두 대의 카메라는 이 사건을 기록했습니다(...). 9월 중순 예정된 최종 보고서에서 이에 대한 설명이 나올 것을 기대합니다.
또한, 근접한 거리에서 발생한