딥 임팩트
2005년 8월 31일
지난 7월 4일, 탐사선 '딥 임팩트'가 1867년 4월에 마르세유의 천문학자 E.W.템펄이 눈으로 발견한 혜성 템펄 1과 충돌하는 410킬로그램의 구리로 이루어진 모듈을 방출했다는 소식이 전해졌다.
이 물체는 5.5년 주기로 화성과 목성 사이를 공전한다. 가장 큰 치수는 약 6km로 추정된다. 따라서 나사(NASA)는 혜성의 내부 구조와 구성 요소를 이해하기 위해 혜성에 물체를 충돌시키는 탐사선을 발사했다.
다음은 궤도다:
화성과 목성 사이를 공전하는 혜성 템펄 1의 궤도. 태양에 가장 가까운 지점에서 수성 궤도의 비원형이 상당히 두드러진다. 위쪽 갈색 궤도에서 탐사선 발사 당시 혜성의 위치를 확인할 수 있다. 파란색 원형 궤도는 지구의 궤도이며, 위쪽에 있는 지점은 탐사선 발사 당시 지구의 위치다. 6개월 후(지구 궤도의 반바퀴), 충돌이 발생한다. 동일한 시간 간격 동안 혜성과 탐사선이 이동한 곡선 거리를 측정해 보면, 혜성이 더 빠르게 움직인다.
충돌 궤도에 대한 보완 설명이다. 다음 주소에서 매우 매력적인 애니메이션을 확인할 수 있다:
http://deepimpact.umd.edu/amateur/where_is.shtml
먼저 두 개의 버튼이 있으며, 이는 시점의 각도를 조절할 수 있게 해준다. 이를 통해 혜성 궤도가 황도면에 상당히 기울어져 있음을 알 수 있다.
이 기울기가 그녀가 생존할 수 있게 해주었다. 혜성에는 여러 종류가 있다. 일부는 '비주기적'이라고 불리며, 태양계로 한 번만 들어와 더 이상 활동을 보이지 않는다. 실제로 우리는 태양계 외곽에 위치해 있을 것으로 추정되는 거대한 '구름', 즉 혜성의 저장소에 대해 거의 알지 못한다. 그 기원은 무엇인가? 태양계가 어린 시절, 행성들이 형성되면서 여러 메커니즘이 작용한다. 가장 이해하기 쉬운 것은 '자식 먹기'로, 작은 물체와 큰 물체가 직선으로 충돌하여 큰 물체가 작은 물체를 자신의 질량에 흡수하는 것이다. 두 번째 메커니즘은 양성의 슬링샷 효과이다. 수학적으로 말하면 이는 '만남'(encounter)이다(영어 단어로, 기체 운동론 이론에서 차용됨). 초기 태양계는 충돌이 빈번한 시스템이다. 이러한 충돌들은 모든 종류의 물체에 대해 맥스웰-볼츠만 속도 분포를 만들어낸다. 이는 '다중 인구 시스템'이다. 각 인구 집단은 열역학적 평형 상태로 수렴하는 경향이 있다. 두 가지 기체가 열역학적 평형 상태에 있을 때(예: 태양을 구성하는 플라즈마), 각 집단의 평균 운동 에너지는 서로 같으며, 질량 비율과 비례한다. 수소 플라즈마를 예로 들어보자. 전자는 수소 핵보다 1850배 가볍다. 따라서 전자의 열적 진동 속도는 수소 이온보다 루트 1850배 더 빠르며, 약 43배 빠르다.
무거운 물체와 가벼운 물체의 혼합물은 가벼운 물체를 가속화하는 경향이 있다(예: '오염된 물방울' 또는 '오염된 얼음'이 초기 혜성의 원형이 될 것). 따라서 태양계는 수많은 작은 물체를 방출했다. 일부는 태양에 대해 탈출 속도에 도달하여 은하간 공간으로 사라졌다. 다른 일부는 우리 '대도시 외곽'에 남아 있었다. 이러한 '만남'은 양방향으로 작용한다(그러나 전반적으로 작은 물체를 가속화함). 이로 인해 맥스웰-볼츠만 분포는 낮은 속도 쪽으로 채워지게 된다. 따라서 많은 작은 물체는 느려졌고, 예를 들어 태양에 떨어지거나, 지구와 같은 지구형 행성에 충돌하여 해양 질량을 형성했을 수도 있다.
템펄 1은 중간적인 운명을 가진 혜성이다. 그녀는 행성들과 비슷한 속도를 얻었지만, 운명적으로 기울어진 궤도에 위치하게 되어 행성과의 나쁜 만남 위험을 줄였다. 모든 행성은 그녀보다 더 무겁고, 궤도를 반드시 왜곡시킬 것이다. 실제로 이 궤도는 발견 이후 약간 변했다. 구글을 통해 역사 기록을 확인해 볼 수 있다. 왜 템펄 1은 하일리 혜성보다 더 적게 가스를 방출할까? 좋은 질문이다. 우리는 가스 방출 현상과 혜성의 내부 구조에 대해 거의 알지 못한다.
사실 우리 지구도 가스를 방출하고 있으며, 이 현상을 화산 활동이라 한다. 이 현상은 목성의 조석 효과에 의해 강화된다(예: 이오가 목성에 의해 열심히 마찰된다). 이오가 이웃 행성에 대해 매우 뜨거운 반응을 보이는 이유는 그 자체가 자전하고 있기 때문이다. 만약 이오가 거대 행성과 동기화되어 있었다면, 이토록 강한 화산 활동은 없었을 것이다. 게다가 이오는 목성에 매우 가까이 있다.
혜성의 가스 방출 활동이 자기 회전 주기와 관련이 있을지도 모른다. 자전하는 혜성은 행성 근처에서 조석 효과에 더 민감해진다. 실제로 혜성들은 목성 궤도 내부로 들어갈 때 가스를 방출하는 것을 관찰할 수 있다. 이는 태양 복사량이 더 많아졌기 때문일까? 만약 가스 방출이 표면의 단순한 기화라면 그렇다. 그러나 만약 가스 방출이 내부에서 발생하는 폭발이라면 그렇지 않다. 실제로 지오토 탐사선이 하일리 혜성에 접근할 때 촬영한 이미지를 보면, 폭발적인 소스가 명확히 보인다. 따라서 혜성이 태양계에 다시 들어올 때 활동이 재개되는 것은, 자기 회전으로 인해 조석 효과에 의해 내부가 강하게 마찰되어 발생할 수 있다. 이 회전 주기를 측정했는가?
이 관점에서 템펄 1은 자기 회전이 적어 조석 마찰 효과에 덜 민감하여 상대적으로 활동성이 낮은 것으로 보인다. 이는 이오의 화산 활동이나 혜성의 가스 방출을 유도하는 원인이 된다. 브라익에게 그의 생각을 물어보자. 행성학은 그의 전문 분야다.
여러 물체의 위치는 자유롭게 설정할 수 있다. 먼저, 탐사선 딥 임팩트의 궤도에 진입한 후 접근하는 템펄 1 혜성의 모습을 확인할 수 있다. 충돌 시점인 7월 4일을 주목하자. 미국인들은 우주 성과를 기념할 때 이 날짜를 선호하며, 탐사선의 궤도를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여주고자 한다. 이 날은 미국 독립 기념일과 일치하며, 단순한 우연이 아니다.
애니메이션을 자세히 관찰하면, 템펄 1이 탐사선보다 더 빠르게 회전하고 있으며, 탐사선을 따라잡고 있음을 알 수 있다. 실제로는 혜성이 탐사선을 충돌시키는 것이지, 그 반대가 아니다. 그러나 큰 의미는 없다. 다음 이미지는 두 달 후의 상황이다. 혜성이 탐사선 또는 그와 충돌하기 위해 분리된 물체에 접근하고 있다.
충돌 5분 전 촬영한 혜성의 이미지:
혜성. 충돌 5분 전 촬영.
탐사선과 충돌 모듈
충돌 모듈에는 카메라가 설치되어 있었다.
충돌 190초 전, 확대 이미지. 밝은 점들이 가스 방출 원천과 일치하는가?
충돌 모듈이 접근하는 예술적 이미지 (방패 형태)
가스 방출 원천을 시각화했다.
충돌이 발생한다.
충돌 후 67초
두 물체 간 상대 속도는 3.5km/s이다(이 속도는 탐사선의 궤도 속도보다 낮다. 탐사선의 궤도 속도는 반드시 지구 주위 궤도 속도보다 높아야 하며, 정확한 값은 기억이 나지 않지만 약 9km/s에 가깝다). 충돌은 탐사선이 촬영하며, 충돌 후 혜성에서 10km 떨어진 지점까지 계속 비행한다. 충돌 지점은 혜성 자체에 의해 빠르게 가려진다. 두 물체는 3.5km/s로 멀어지므로, 탐사선은 충돌 후 방출된 물질이 흩어진 후 충돌 지점의 상태를 정확히 촬영할 수 없다.
몇 초 안에 탐사선은 혜성에서 멀어지며, 방출된 물질이 흩어진 후 새로운 크레이터를 촬영할 수 없다.
이 방출 물질은 수시간 동안 빛을 방출할 것이다. 매우 뜨거운 상태이다. 가시광선 범위에서 이미지를 촬영할 수 있다면, 스펙트로미터는 수천 도의 온도를 기록하며, 이는 자외선 영역에서 방출이 일어난다는 의미이다.
충돌 영상
이 사건에 대한 설명은 다음 사이트에서 제공된다:
http://www2.ifa.hawaii.edu/newsletters/article.cfm?a=234&n=21
이 미션의 목적은, 태양계가 약 1억 년밖에 되지 않았을 때의 잔재를 나타내는 혜성 내부의 물질을 업데이트하는 것이었다. 연구자들은 또한 충돌로 인해 직접적으로 크레이터가 형성되는 것을 보고 싶어 했다. 그러나 크레이터는 거의 보이지 않았으며, 방출된 물질이 상당히 불투명하여 관측이 어려웠다. 천문학자들은 물질에서 물, 이산화탄소, 일산화탄소, 다양한 탄화수소를 확인했다. 방출 물질은 매우 다양한 속도로 방출되었다.
평균적으로 약 500m/s였다(방출 속도의 다양성은 질량이 비슷한 원자와 분자들이 방출된 경우 설명이 필요하다. 이는 혜성이 충돌에 대해 적극적으로 반응했을 가능성을 시사한다. 즉, 추가적인 가스 방출이 일어