목성의 위성 '유로파', 새로운 생명체의 존재 가능성[EP.07]

목차 천문학 패러다임을 변경한 유로파(Europa)의 발견 다시 한번 유로파가 주목받는 이유는 무엇일까? 그렇다면 유로파 클리퍼(Europa Clipper)의 계획과 목표는?

 

 천문학 패러다임을 변경한 유로파(Europa)의 발견

1610년, 갈릴레오 갈릴레이가 처음으로 발견

갈릴레이 위성은 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 발견한 목성의 네 개의 위성을 가리킵니다.

이들 위성은 이오(Io), 에우로파(Europa), 가니메데스(Ganymede), 칼리스토(Callisto)라고 불리며, 이들은 제우스의 연인의 이름을 따서 명명되었습니다. 이 위성들은 목성의 위성 중 가장 크며, 태양계에서 가장 큰 천체들 중 하나입니다. 특히 가니메데는 수성보다도 큰 크기를 자랑합니다. 

 

갈릴레이는 망원경을 이용하여 목성을 관찰한 결과, 이 위성들을 1609년부터 1610년에 발견했습니다. 이 발견은 천문학 역사에서 중요한 역할을 하였습니다. 그 동안 태양과 달, 그리고 지구의 행성들만이 알려진 천체였는데, 갈릴레이 위성의 발견으로 인해 새로운 천체들이 발견되었으며, 이는 망원경의 중요성을 강조하고 천문학의 발전 가능성을 제시했습니다.

또한, 갈릴레오의 관측 결과는 지구가 우주의 중심이 아니라는 관점을 제시하며 지동설을 주장하는 계기가 되었습니다. 이는 우주에는 지구 이외의 천체들이 도는 것을 시사하며, 천문학의 패러다임을 변경하는 중요한 사건 중 하나로 꼽힙니다.

 

유로파는 갈릴레이의 목성 4대 위성 중 가장 작은 크기를 가지며, 전체 지름은 3,122km입니다. 이 위성의 궤도 반지름은 목성의 반지름의 9.40배이며, 공전 주기는 3.55일입니다. 유로파의 표면은 두꺼운 얼음으로 덮여 있어 망원경으로 관측할 때 태양계의 천체 중 가장 매끈하게 보입니다.

 

 

유로파 클리퍼-NASA 공식 홈페이지

 

 

NASA's Europa Clipper

 

다시 한번 유로파가 주목받는 이유는 무엇일까?

 태양계 내에서 지구를 제외한 생명체 존재 가능성

유로파는 현재 태양계 내에서 지구 외 생명체가 존재할 수 있는 가능성이 높은 곳으로 주목받고 있습니다. 상대적으로 지구와 가깝지만 생명체 가능성이 높아 관심을 끌고 있습니다. 유사한 이유로 토성의 위성 엔셀라두스도 얼음 지각 아래에 해양층이 있는 것으로 확인되어 학계의 관심을 받고 있습니다. 그러나 토성의 엔셀라두스는 유로파에 비해 더 멀리 위치해 있어 탐사 우선 순위가 낮을 수밖에 없습니다. 목성으로 가는 데도 기술적으로 5년 이상의 시간이 걸리는데 토성은 더욱 멀리 떨어져 있어서 탐사하기 어려운 상황입니다.

 

유로파의 표면에 보이는 줄 모양은 수백수천m 길이의 협곡으로 밝혀졌습니다. 이 협곡들은 실제로는 깊고 긴 구조물로, 20~30km 두께의 얼음 아래에는 100km 이상의 깊은 바다가 형성되어 있다고 추측됩니다. 이 추측이 맞다면 유로파는 지구보다 2배 큰 부피의 바다를 가진 천체로, 액체 상태의 물을 가장 많이 포함한 태양계의 천체가 됩니다.

 

2012년과 2016년에 허블 망원경을 통해 유로파 표면에서 물 기둥이 분출하는 현상이 관측되었습니다. 이러한 현상은 얼음층 아래의 물이 분출되고 다시 얼어붙어 협곡이 형성되는 과정에서 발생하는 것으로 추측됩니다. 또한 얼음층 내부에도 군데군데 민물이 형성되어 있을 것으로 생각됩니다. 유로파에서 발생하는 지열은 목성의 조석력에 의해 발생하는 것으로, 행성이 핵부터 뒤틀리는 현상으로 인해 발생합니다. 이오와 같이 목성에 더 가까운 지역에서는 화산활동이 나타나기도 합니다.

 

지구에서는 대기권을 100km 올라가면 이미 우주 공간에 진입한 것과는 달리, 유로파에서는 바다와 얼음 아래에서 100km 가까이 올라가야 비로소 지표면에 다다릅니다. 이것은 지구의 가장 깊은 바다인 마리아나 해구의 바티아스 해연의 깊이가 11km 정도인 것을 알면, 유로파의 깊은 바다와 얼음층이 격이 다른 깊이라는 것을 알 수 있습니다.

 

이러한 점들은 목성의 강한 방사선과 추운 기후로 인해 표면에서의 생존은 어렵지만, 유로파의 얼음 아래에는 바다가 형성되어 있다는 점은 생명체가 존재할 가능성이 있다는 시사점을 제시합니다. 지구의 남극 빙하 아래에서 발견된 미생물들과 같이, 얼음 아래 물층은 생명체에게 호의적인 환경으로 간주될 수 있습니다. 그러나 여러 위험과 기술적 제한으로 인해, 현재까지는 생명체를 직접 찾는 작업이 원활하게 진행되지 않고 있습니다.

 

유로파는 겉보기에는 얼음으로 덮인 천체처럼 보이지만, 지구와 유사한 활동을 내부에서 나타낼 수 있는 가능성이 크다는 주장이 있습니다. 이 이론에 따르면, 유로파의 내부는 뜨거운 천체로, 얼음 아래 깊숙한 곳에서 지구의 심해와 비슷한 환경을 유지하고 있을 것으로 가정되고 있습니다. 이 가설은 유로파가 지구의 심해 열수분출공 등과 유사한 환경일 가능성을 제기하며 지지를 받고 있습니다.

 

지구의 심해 열수분출공 주변에서 다세포 생물이 발견된 사례를 들어, 유로파의 심해 열수공에서도 다세포 생물이 발견될 가능성이 있다는 주장이 제기되고 있습니다. 물속에서 생명체가 존재한다면 영양분과 산소 공급이 충분하다는 가정 아래에서, 유로파의 물 속에서 크기 제약이 상대적으로 덜 하다고 추측됩니다. 이는 수백 미터 이상의 거대한 생명체가 가능하다는 이론을 제시하며, 유로파의 얼음층 아래에 있는 20km 이상의 물층으로 인해 찾기 어렵다는 점을 감안하면 빠른 시일 내에는 발견이 어려울 것으로 보입니다.

표면의 얼음 협곡은 아래층의 대류 현상에 의해 만들어진 것이기에, 만약 바다 아래에 유기물이 형성되었다면 이 협곡에서 다량의 유기화합물을 찾을 가능성이 크다고 합니다.

 

즉, 목성은 강력한 방사선과 추운 기후로 인해 표면에서 생명체의 생존이 어려운 환경이지만, 유로파의 얼음 아래에 형성된 바다는 생물체가 존재할 가능성을 시사합니다. 지구의 남극 빙하 아래에서 발견된 미생물들과 같이, 얼음 아래 물층은 생명체에게 호의적인 환경으로 여겨집니다. 그러나 다양한 위험성과 기술적 제한으로 인해 유로파의 생명체 탐사 작업은 아직 원활하게 진행되지 못한 상태입니다.

 

생명체가 발생했다는 가정하에도, 유로파에서의 생명체 멸종 가능성은 지구보다 낮을 것으로 예상됩니다. 외부에서 유발되는 감마선 폭발이나 천체 충돌과 같은 대규모 멸종 사건의 가능성은 거의 없습니다. 특히 유로파는 태양계에서 가장 큰 행성인 목성의 중력에 의해 보호될 수 있어, 천체 충돌의 위험도 낮을 것으로 생각됩니다.

 

그렇다면 유로파 클리퍼(Europa Clipper)의 계획과 목표는?

임무 수행을 위한 목성으로의 여정, 무엇을 하게 될까?

유로파 클리퍼 미션의 목표는 유로파를 탐사하고 그 생존 가능성을 조사하며 미래 유로파 랜더의 착륙 장소를 선택하는 데 도움을 주는 것입니다. 이 탐사는 생명의 세 가지 주요 요건인 액체 물, 화학 물질 및 에너지에 대한 이해를 중점으로 합니다. 구체적으로, 이 미션의 목표는 다음과 같습니다:

1. 얼음 껍질과 해양: 얼음 내부 또는 아래에 있는 물의 존재와 성질, 그리고 표면-얼음-해양 간의 교환 과정을 확인하고 특성화합니다.
2. 화학적 조성: 주요 화합물의 분포와 화학적 조성을 분석하고 이들이 유로파의 해양 조성과의 연결을 이해합니다.
3. 지질학: 표면 특징의 특성과 생성 과정을 연구하며, 최근 또는 현재 활동이 있는 지역을 포함한 영역을 조사합니다.

전반적인 목표는 유로파의 생존 가능성을 파악하고 미래 탐사 및 생명의 증거를 찾을 수 있는 잠재적인 연구 지점을 안내하는 데 필요한 정보를 수집하는 것입니다.

 

이 미션은 유로파의 가혹한 방사선 환경과 데이터 통신에 대한 제약 등 여러 가지 요인으로 인해 작동 가능한 기간이 제한적입니다. 데이터의 지구로의 반환 시간이 제한되어 있어 대부분의 기기는 데이터를 수집하는 속도가 데이터를 전송하는 속도보다 빠르기 때문에 효율적으로 운용될 수 있습니다.

 

유로파 클리퍼 미션은 43억 달러 예산의 목성 유로파 궤도선 개념을 대체하며 20억 달러로 비용을 줄여 중요한 과학적 측정을 수행할 수 있습니다. 이 임무에서는 여러 번의 비행을 통해 데이터를 반환하며, 각 비행에서 저장된 데이터를 전송하는 시간을 활용하여 우주선의 작동을 계획합니다.

 

유로파 클리퍼는 유로파를 3.5년 동안 44회 비행하여 다양한 근지점을 방문합니다. 이때 유로파, 가니메데 및 칼리스토의 중력을 활용하여 궤도를 변경하여 다양한 지역을 조사합니다. 또한 우주선은 달의 얼음 지각에서 분출하는 수증기 기둥을 통해 저고도에서 비행하여 얼음층을 뚫지 않고도 지하 바다를 샘플링할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다.

또한 우주선은 방사선 보호를 위해 알루미늄 합금 벽을 사용하여 전자 장치를 보호하며, 데이터 반환과 관련된 제약 사항을 극복하기 위해 전략적으로 계획됩니다.

 

요약하면, 유로파 클리퍼 미션은 유로파의 생존 가능성과 환경을 탐사하며 데이터 수집과 통신의 어려움을 극복하여 중요한 과학적 목표를 달성하기 위한 임무입니다.

 

 

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