명왕성과 쌍둥이 행성 해왕성, 카론계의 위성 뉴호라이즌스

우주에서 관측된 명왕성

명왕성은 태양계의 아홉번째 행성입니다. 명왕성과 해왕성은 쌍둥이 행성이라고 불리고 매우 가까운 거리에 위치하고 있습니다. 카론계의 위성이라고 알려져 있기도 합니다. 이번 글을 통해 명왕성의 대기와 명왕성을 최초로 밟은 뉴호라이즌스에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 과연 명왕성과 해왕성의 관계는 어떻게 될까요?

명왕성과 해왕성의 관계

명왕성의 궤도가 해왕성의 궤도와 직교하는 것처럼 보이지만, 두 천체의 궤도는 교차하지 않는다. 명왕성이 태양에서 가장 가깝고 위에서 봤을 때 해왕성의 궤도에 가까울 때, 해왕성의 경로에서 가장 멀리 떨어져 있기도 하다. 명왕성의 궤도는 해왕성보다 약 8 천문단위 높은 곳을 통과하여 충돌을 방지한다. 행성들(특히 해왕성)의 섭동은 명왕성의 궤도를 수백만 년에 걸쳐 변화시켜 충돌을 일으킬 수 있다. 그러나 명왕성은 해왕성과의 2:3 궤도 공명에 의해서도 보호되고 있다. 각각의 주기는 약 495년 동안 지속된다. 이 패턴은 495년 주기로 명왕성이 근일점에 가까워질 때마다 해왕성은 명왕성보다 50° 이상 뒤에 있게 된다. 명왕성의 두 번째 근일점까지 해왕성은 자신의 궤도를 1.5바퀴 더 돌게 될 것이며, 따라서 명왕성보다 거의 130° 앞쪽에 있을 것이다. 명왕성과 해왕성의 최소 거리는 17 천문단위 이상으로, 이는 명왕성과 천왕성 사이의 최소 거리(11 천문단위)보다 크다. 명왕성과 해왕성 사이의 최소 분리는 실제로 명왕성의 원일점 근처에서 일어난다. 두 물체 사이의 2:3 공명은 매우 안정적이며 수백만 년 동안 보존되어 왔다. 이것은 그들의 궤도가 서로 상대적으로 변하는 것을 방지하고, 그래서 두 천체는 결코 서로 가까이 지나갈 수 없다. 명왕성의 궤도가 기울어지지 않았더라도 두 천체는 결코 충돌할 수 없었다. 평균 운동 공명의 장기적인 안정성은 위상 보호 때문이다. 명왕성의 주기가 해왕성의 3/2보다 약간 짧을 때, 해왕성에 대한 상대 궤도는 표류하여 해왕성의 궤도 뒤로 더 가까이 접근하게 된다. 둘 사이의 중력은 각운동량을 해왕성의 비용으로 명왕성에 전달하게 한다. 이것은 명왕성을 약간 더 큰 궤도로 이동시키고, 케플러 제3법칙에 따르면 명왕성은 약간 더 느리게 이동한다. 명왕성은 이러한 반복이 많으면 충분히 느려져 명왕성의 궤도가 역행할 때까지 반대 방향으로 표류한다. 이 모든 과정은 완료되기까지 약 20,000년이 걸립니다.

탐험을 떠난 뉴호라이즌스

명왕성에 가장 가까이 접근한 지 15분 만에 뉴호라이즌스가 촬영한 명왕성의 얼음 산과 평평한 얼음 평원의 파노라마 뷰가 있다. 명왕성 대기의 뚜렷한 안개층은 태양에 의해 역광으로 보일 수 있다. 2015년 7월 명왕성 옆을 비행한 뉴호라이즌스 우주선은 명왕성을 직접 탐사하려는 최초이자 지금까지 유일한 시도다. 2006년에 발사된 이 우주선은 2006년 9월 말 장거리 정찰 이미저 시험 중 명왕성의 첫 번째 (먼) 사진을 촬영했다. 약 42억 킬로미터의 거리에서 촬영된 이 사진들은 명왕성과 카이퍼 벨트 천체를 향해 움직이는 데 중요한 먼 목표물을 추적할 수 있는 우주선의 능력을 확인시켜 주었다. 2007년 초 탐사선은 목성의 중력 보조 장치를 사용했다. 2015년 7월 14일, 뉴호라이즌스는 태양계를 가로지르는 3,462일간의 여정을 마치고 명왕성에 가장 가까이 접근했다. 명왕성에 대한 과학적 관측은 가장 가까이 접근하기 5개월 전에 시작되었고, 조우 후 최소 한 달 동안 계속되었다. 관측은 분광학 및 기타 실험뿐만 아니라 영상기기와 전파 과학 조사 도구가 포함된 원격 감지 패키지를 사용하여 수행되었다. 뉴호라이즌스의 과학적 목표는 명왕성과 카론의 지구 지질과 형태를 특징짓고, 그들의 표면 구성을 지도화하며, 명왕성의 중성 대기와 탈출 속도를 분석하는 것이었다. 2016년 10월 25일 미국 동부 표준시 5시 48분 뉴호라이즌스에서 명왕성과의 근접 조우로부터 마지막 데이터 비트(총 500억 비트 또는 6.25 기가바이트)가 수신되었다. 뉴호라이즌스 호가 지나간 이후, 과학자들은 새로운 과학 목적을 달성하기 위해 명왕성으로 귀환하는 궤도 탐사 임무를 지지해 왔다. 1픽셀당 9.1m(30ft)로 표면을 매핑하는 것, 명왕성의 작은 위성들에 대한 관측, 명왕성이 축을 중심으로 회전하면서 어떻게 변하는지 관찰하는 것, 명왕성이 축을 기울여서 오랫동안 어둠으로 뒤덮인 명왕성 지역의 지형도 등이 그것이다. 마지막 목표는 명왕성의 완전한 지형도를 생성하기 위해 레이저 펄스를 사용하여 달성될 수 있다. 앨런 스턴 뉴호라이즌스 수석연구원은 2030년(명왕성 발견 100주년)쯤 발사해 카론의 중력을 이용해 명왕성 계에 도착한 뒤 과학적 목적을 달성하기 위해 필요한 만큼 궤도를 조정하는 카시니식 궤도선을 주창했다. 그러면 이 인공위성은 카론의 중력을 이용하여 명왕성계를 떠나 명왕성 과학의 모든 목표가 완료된 후에 더 많은 KBO를 연구할 수 있을 것이다. 미국 항공우주국(NASA)의 혁신적 고급 개념(NIAC) 프로그램에 의해 자금을 지원받은 개념적 연구는 프린스턴의 필드 역전 구성 원자로를 기반으로 한 핵융합이 가능한 명왕성 궤도선과 착륙선을 설명한다.

명왕성의 대기

뉴호라이즌스가 비행 후 찍은 거의 실제 색에 가까운 이미지가 있다. 명왕성의 대기에는 수많은 푸른 안개층이 떠다닌다. 사지를 따라 그리고 가까이, 산과 그들의 그림자가 보인다. 명왕성은 명왕성 표면의 얼음과 평형을 이루는 질소(N2), 메탄(CH4), 일산화탄소(CO)로 구성된 희박한 대기를 가지고 있다. 뉴호라이즌스의 측정 결과에 따르면, 표면압은 약 1Pa(10μbar)로, 지구 대기압의 약 100만~10만 배이다. 뉴호라이즌스 데이터와 지상 엄폐물 연구에 따르면 명왕성의 대기 밀도는 증가하고 명왕성 궤도 전체에 걸쳐 기체 상태로 남아 있을 가능성이 높다. 뉴호라이즌스 관측 결과 대기 중 질소 이탈이 예상보다 1만 배 적은 것으로 나타났다. 앨런 스턴은 명왕성의 표면온도가 조금만 증가해도 명왕성의 대기밀도가 18hPa에서 280hPa까지 기하급수적으로 증가할 수 있다고 주장했다. 이러한 밀도에서 질소는 액체처럼 표면을 가로질러 흐를 수 있다. 땀이 피부에서 증발하면서 몸을 식히듯 명왕성 대기의 승화는 표면을 식힌다. 명왕성은 대류권이 없거나 거의 없다. 측정 장소에서의 두께는 4km였고, 온도는 37±3K였다.도면층이 연속되지 않습니다. 2019년 7월, 명왕성에 의한 엄폐는 2016년 이후 대기압이 예상과 달리 20% 감소했음을 보여주었다. 2021년 남서부 연구소의 천문학자들은 2018년 엄폐 데이터를 사용하여 이 결과를 확인했는데, 이는 명왕성 원반 뒤에서 빛이 덜 서서히 나타나면서 얇은 9를 나타냄을 보여준다. 명왕성 대기에서 강력한 온실 가스인 메탄이 존재하면 표면보다 수십도 더 따뜻한 온도로 온도 반전을 일으키지만, 뉴호라이즌스의 관측 결과 명왕성 상층 대기가 예상보다 훨씬 더 춥다는 것이 밝혀졌다(약 100K와 대조적으로 70K). 명왕성의 대기는 약 20개의 일정한 간격을 두고 약 150 km 높이로 나뉘는데, 명왕성 산맥을 가로지르는 기류에 의해 생성된 압력파의 결과로 생각된다.

카론계의 위성

명왕성-카론 계의 비스듬한 시각은 명왕성이 자기 바깥의 한 점을 공전하고 있음을 보여준다. 두 몸은 서로 조석적으로 잠겨 있다. 명왕성에는 다섯 개의 알려진 자연 위성이 있다. 명왕성에 가장 가까운 것은 카론이다. 카론은 1978년 천문학자 제임스 크리스티(James Christy)에 의해 처음 확인되었으며, 명왕성의 위성 중 유일하게 유체정역학적 평형 상태에 있을 수 있다. 카론의 질량은 명왕성-카론 계의 중심핵이 명왕성 바깥에 있게 하기에 충분하다. 카론 너머에는 훨씬 작은 네 개의 위성이 있다. 명왕성으로부터의 거리 순서는 스틱스, 닉스, 케르베로스, 히드라이다. 닉스와 히드라는 둘 다 2005년에 발견되었고, 케르베로스는 2011년에, 스틱스는 2012년에 발견되었다. 위성의 궤도는 원형(이심률 0.006)이며 명왕성의 적도(경사 <1°), 과 동일 평면이기 때문에 명왕성의 궤도에 대해 약 120° 기울어져 있다. 플루토니아 계는 매우 작은데, 다섯 개의 위성은 공전 궤도가 안정적일 수 있는 영역의 안쪽 3% 이내에서 공전한다. 명왕성의 모든 위성들의 공전 주기는 궤도 공명 및 근접 공명 체계로 연결되어 있다. 세차운동이 설명될 때, 스틱스, 닉스, 히드라의 공전주기는 정확히 18:22:33이다. 스틱스, 닉스, 케르베로스, 히드라의 기간과 카론의 기간 사이에는 대략적인 3:4:5:6의 비율의 순서가 있다. 명왕성-카론 계는 태양계에서 몇 안 되는 천체들 중 중심핵이 중심핵 바깥쪽에 있는 천체들 중 하나이다. 카론과 명왕성의 크기가 비슷하기 때문에 일부 천문학자들은 카론을 이중 왜성이라고 부른다. 명왕성과 카론은 항상 같은 반구가 서로 마주보고 있다는 점에서 행성계 중에서도 특이하다. 어느 한 물체의 위치에서든, 다른 물체는 항상 하늘에서 같은 위치에 있거나 항상 가려져 있다. 이것은 또한 각각의 회전 주기가 전체 시스템이 중입자 중심을 중심으로 회전하는 데 걸리는 시간과 같다는 것을 의미한다. 2007년 제미니 천문대가 카론 표면에 암모니아 하이드레이트와 물 결정 조각들을 관측한 결과, 활동적인 저온 간헐천이 존재함을 시사했다. 명왕성의 위성들은 태양계 역사 초기에 명왕성과 비슷한 크기의 천체 사이의 충돌에 의해 형성되었다는 가설이 있다. 이 충돌로 인해 명왕성 주변의 위성들로 통합되는 물질이 방출되었다.