토성의 숨겨진 위성 사냥

천문학자들은 최근 고리가 있는 행성 토성 주변에서 62개의 새로운 위성을 발견했으며 또 하나가 목록에 추가되었다고 발표했습니다. 그렇다면 그들은 어떻게 그렇게 오랫동안 숨겨져 있었습니까? 

인류가 하늘을 바라보기 시작한 이후로 우리의 달은 우리 행성에서 상대적으로 짧은 거리의 궤도에서 우리를 바라보고 있습니다. 그것은 우리 태양계의 자연 위성 중 가장 잘 보이지만 결코 유일한 위성은 아닙니다.

그러나 얼마나 많은지 알아내는 것은 끊임없는 도전입니다. 

올해 5월, 천문학자들은 태양계의 거대한 가스 행성 중 하나인 고리형 행성 토성을 공전하는 62개의 새로운 위성을 발견했다고 발표했습니다 . 태양에서 약 8억 8600만 마일(13억 킬로미터) 떨어져 있는 이 먼 거대괴수를 공전하는 확인된 위성의 수를 순식간에 145개로 늘렸습니다. 일부에 의해 " 달 경주 "라고 불리는 거대한 이웃 목성 . 그리고 불과 몇 주 후 같은 팀이 목록에 추가한 또 다른 새로운 발견으로 토성의 위성 수는 계속 증가하고 있습니다.

초승달은 대만 Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics의 박사후 연구원인 Edward Ashton이 이끄는 팀에 의해 발견되었습니다. 이 발견은 하와이의 마우나 케아 정상에서 망원경을 사용하여 2년 이상이 걸렸습니다. 그러나 그것은 천문학자들이 3세기 반 이상 동안 토성과 그 위성들을 관찰해 온 후에 나온 것입니다. 인류는 토성에 4대의 우주선을 보냈지 만 여전히 이 위성들은 발견되지 않았습니다.

그렇다면 어떻게 그렇게 많은 토성의 위성이 보이지 않게 숨겨져 있었을까요? 먼 달을 찾기가 그렇게 어려운 이유는 무엇입니까? 그리고 우주의 캄캄함 속에서 얼마나 더 많은 사람들이 기다리고 있을까요?

 

발견하기 어렵다

마지막으로 우리 태양계에는 290개 이상의 "전통적인" 위성이 있었습니다. 그러나 단순히 달을 관찰한다고 해서 공식적으로 달이 되는 것은 아닙니다. 새로운 위성 중 일부는 이전에 본 적이 있지만 국제 천문 연맹이 공식적으로 달이라고 부르기 까지는 긴 과정이 필요합니다 . 몇 년간 의 끊임없는 관찰을 생각해 보십시오.

수세기에 걸친 인간 문명 동안 우리의 많은 천상의 이웃들은 우리가 식별하기에는 너무 멀리 떨어져 있었습니다. 처음으로 발견된 토성의 위성은 1655년 네덜란드 천문학자 Christiaan Huygens 에 의해 가장 큰 수성보다 큰 위성인 타이탄 이었습니다 . 또 다른 16년 동안 Jean-Dominique Cassini는 Iapetus를 발견했고 나중에 Rhea, Dione 및 1789년이 되어서야 독일 천문학자 William Herschel이 Mimas와 얼음 위성 Enceladus를 식별 했습니다 .

토성의 위성 중 일부는 행성의 고리에 있는 물질이 서로 충돌하고 뭉쳐 형성된 것으로 생각됩니다(Credit: NASA/JPL/Space Science Institute)

Mimas는 태양계의 작은 위성 중 하나입니다. 그것은 22개의 행성 질량 위성 중 두 번째로 작습니다. 자체 중력에 의해 둥글게 될 만큼 충분히 크고 더 큰 행성 주위를 규칙적으로 공전합니다. 그럼에도 불구하고 직경이 201km(129마일)인 그것은 Herschel이 비교적 단순한 광학 장비를 통해 지구에서 그것을 볼 수 있을 만큼 충분히 컸습니다.

다른 토성 위성은 훨씬 더 오랫동안 인간의 관찰을 피했습니다. 감자 모양의 히페리온은 1848 년까지 발견되지 않았고, 약 50년 후에는 대부분의 다른 위성과 반대 방향으로 토성 주위를 여행하는 피비가 발견되었습니다.

그러나 토성의 위성 목록이 상당히 늘어나기 시작한 것은 우주 시대와 현대 망원경이 등장하기 전까지는 아니었습니다 . Voyager 및 Cassini 탐사선과 같은 우주선은 토성의 복잡한 시스템을 가까이서 관찰함으로써 발견에 추가할 수 있었습니다.

실제로 1980년이 되어서야 나사 우주선 보이저 1호가 미마스의 한쪽에서 거대한 분화구를 발견했습니다 . 약 41억년 전 미마스를 거의 둘로 쪼개버린 충돌로 인해 발생했습니다. 그것은 많은 사람들이 Mimas의 뾰족한 모양을 영화 Star Wars의 Death Star 와 비교하도록 이끌었습니다 . Voyager는 또한 Atlas, Prometheus 및 Pandora 위성을 공개했습니다.

그럼에도 불구하고 토성의 위성 대부분은 2000년 이후 비교적 최근에 발견되었습니다.

그 이유 중 하나는 천문학 초기에 발견된 위성이 특정 패턴을 따랐기 때문입니다. 위성은 상대적으로 크고 천문학자들이 규칙적인 궤도라고 부르는 예측 가능한 궤도를 따랐습니다.

고대 대격변이 이 작은 위성을 어둠 속으로 회전시켰을 수도 있습니다.

브리티시 컬럼비아 대학의 캐나다 천문학자이자 Ashton의 동료 중 한 명인 Brett Gladman은 "목성의 4개의 밝은 위성인 갈릴레이 위성을 보면 일반 위성이라고 하며 모든 거대한 행성에는 일반 위성이 있습니다."라고 말합니다. 토성 주변의 최근 발견에 참여했습니다. "그리고 그들의 위성은 행성 주위의 고리와 마찬가지로 행성의 적도면에서 궤도를 돌고 있습니다. 그들은 궤도에서 거대한 행성 주위에 형성된 가스와 먼지의 평평한 원반을 형성했다고 생각합니다... 같은 방식으로 우리 행성은 태양 주위를 도는 궤도에서 형성되었습니다."

Gladman은 달이 근처의 행성에서 형성된다면 행성의 고리와 마찬가지로 적도면 주위를 공전하고 근접한 상태를 유지할 것이라는 통념이 있다고 Gladman은 말합니다.

그러나 일부 위성은 이 규칙을 따르지 않는 것으로 밝혀졌습니다. 행성에는 또한 궤도가 호스트 행성의 적도면 주위의 예측 가능한 경로를 따르지 않는 불규칙한 위성이 있습니다. 그들의 궤도는 더 타원형이고 기울어져 있으며, 행성에서 더 멀리 떨어져 있고 종종 태양 주위를 도는 행성의 경로와 다른 방향에 있습니다. 크기도 훨씬 작습니다.

수십 년 동안 지구상의 달 탐정들은 태양계 달의 증거를 찾기 위해 사진 건판을 사용해야 했습니다. 크기가 작고 궤도가 불규칙할수록 관찰하기가 더 어려웠습니다. 그러나 1990년대와 2000년대에 디지털 사진이 갑자기 Gladman과 같은 사람들이 디지털 사진을 찾는 방식을 바꾸었습니다. 디지털 카메라의 CCD(전하 결합 소자) 센서는 사진 건판이나 유제보다 빛에 훨씬 더 민감하여 훨씬 더 희미한 물체도 감지할 수 있습니다.

그러나 새로운 문제가 발생했습니다. CCD 센서는 작았기 때문에 캡처할 수 있는 시야가 매우 제한적이었습니다. "거대한 행성은 꽤 큽니다. 태양을 공전하는 대신에 행성을 공전할 수 있는 주변 지역이 꽤 큽니다."라고 Gladman은 말합니다. "그리고 하늘에서 보면 아무도 CCD 카메라로 사냥할 수 없을 만큼 컸습니다.

"1997년에 나는 카메라를 사용하여 천왕성 근처에 있는 처음 두 개의 위성을 발견했는데 그것은 어려웠지만 효과가 있었습니다."라고 Gladman은 말합니다. 그는 지구에서 행성까지의 상대적인 거리로 인해 검색할 수 있는 시야가 상대적으로 제한적이라고 덧붙였습니다.

미마스의 표면을 위협하는 거대한 분화구는 영화 스타워즈에 나오는 데스 스타와 비교됩니다. (Credit: NASA/JPL/Space Science Institute)

그런 다음 또 다른 혁신이 이루어졌습니다. CCD 모자이크 카메라는 그리드에 여러 CCD 센서를 묶습니다. "그것은 훨씬 더 넓은 시야를 제공합니다."라고 Gladman은 말합니다. "그래서 그런 일이 일어났을 때, 90년대 후반과 2000년대 초반에 [발견의] 폭발이 있었습니다."

2000년에 Gladman은 이 새로운 기술을 사용하여 토성의 달 필드 데이를 보냈습니다. "2000년에 두 개의 망원경으로 12개를 발견했습니다."라고 그는 말합니다. "대형 포맷, 다중 CCD 모자이크 카메라는 대구경 망원경에서 사용할 수 있게 되었습니다. 갑자기 하늘에서 어둠 속에서 낚시를 하지 않아도 충분히 사냥할 수 있게 되었습니다."

달을 탐지하는 것은 힘든 작업입니다. Gladman은 "예전에는 이미지를 찍고 한 시간 후에 다른 이미지를 찍고 한 시간 후에 같은 오프셋의 또 다른 이미지를 찍었습니다."라고 말합니다. 이 세 개의 이미지는 물체(아마도 달)가 정의된 방향으로 이동하고 있는지를 보여주는 데 도움이 됩니다. "CCD 카메라가 그리 크지 않았던 예전에는 이 모든 것을 눈으로 했습니다. 세 장의 디지털 사진을 찍고 빠른 시간 순서대로 깜박이고 움직이는 물체를 찾으면 됩니다. 하지만 데이터 세트는 엄청납니다. 지금은 그렇게 할 수 없습니다. 우리는 이제 프레임을 가져와 모든 물체를 찾고 움직이지 않는 모든 것을 제거한 다음 움직이는 것을 찾는 컴퓨터 소프트웨어를 가지고 있습니다."

찾아야 할 위성은 작고 아주 작은 양의 빛만 반사하므로 과학자들은 새로운 접근 방식을 사용해야 합니다. 5월의 발견에는 카메라의 다중 노출 모드와 유사한 "시프트 스택"이라는 기술이 포함되었습니다. 연구자가 달의 위치와 이동 방향을 안다고 생각하면 이 일련의 이미지를 검토하여 중첩된 이미지가 쌓일 때까지 프레임에서 달의 위치를 ​​이동할 수 있습니다. 이동 및 중첩이 성공하면 희미한 달 이미지가 생성됩니다.

그러나 이렇게 하려면 캡처한 공간에서 달이 이동할 수 있는 방향에 대한 좋은 아이디어가 필요합니다. 그것 없이는 갑자기 더 많은 공간을 살펴볼 수 있습니다. 

그러나 천문학자들은 이러한 문제를 해결할 가치가 있다고 생각합니다. 최근 발견된 희미하고 간신히 반사되는 암석 덩어리가 태양계의 과거에 감질나게 하는 단서를 제공하기 때문입니다.

방문 우주 탐사선은 과학자들에게 토성의 위성에 대한 새로운 통찰력을 제공했으며 새로운 위성을 발견하는 데에도 도움이 되었습니다. (Credit: Getty Images)

토성의 최신 위성 발견에도 참여한 소행성 센터(MPC)의 박사 후 연구원인 Mike Alexandersen은 이번 발견이 처음에 이 위성을 형성한 원인에 대한 이해를 안내할 것이라고 말합니다. "그들이 함께 모여 있고 유사한 궤도를 갖는 이유는 충돌을 겪은 하나의 물체가 있었기 때문이라고 생각됩니다."라고 그는 말합니다. 그리고 나서 수십억 년 동안 그 파편들은 계속해서 함께 부서졌습니다.

Gladman은 이것을 "충돌 캐스케이드"라고 부릅니다. 일련의 충돌로 인해 점점 더 작은 작은 위성이 발생합니다. 그와 그의 동료들은 최근 에 지난 수억 년 동안의 비교적 최근의 충돌 사건이 토성의 가장 작은 불규칙 위성 중 일부를 만들었을 것이라고 제안했습니다 . "우리가 발표한 이 새로운 발견은 토성의 크기 분포가 매우 가파르다는 생각을 확고히 하고 있습니다. 따라서 더 작은 위성으로 갈수록 그 수가 목성보다 훨씬 더 빠르게 증가합니다."라고 그는 말합니다. 목성의 위성과 함께 "사물들이 서로 충돌하여 자리를 잡았습니다".

Alexandersen은 우리 태양계의 소행성대보다 20배 더 큰 얼음처럼 차가운 잔해의 광대한 덩어리인 Kuiper Belt 에 대해 많은 연구를 수행했습니다 . 그는 카이퍼 벨트(Kuiper Belt)에 있는 약 4,000개의 물체에 대한 지도 작성이 행성 형성에 대한 몇 가지 이론을 제공했으며 왜 그렇게 많은 작은 위성이 태양계 전체에 흩어져 있는지를 설명했습니다. "그 분포를 설명하기 위해 해왕성은 태양에 더 가깝게 형성된 다음 이 원반을 뚫고 나가 사방에 물건을 흩뿌렸을 것입니다."

감자 모양의 위성 하이페리온은 가장 긴 축을 따라 410km에 불과합니다. (Credit: NASA/JPL/Space Science Institute)

고대 대격변은 이 작은 위성을 어둠 속으로 회전시켜 가스 거인의 중력이 지금 멀리 있는 태양보다 더 큰 지점까지 갔을 수 있습니다. 그러나 Alexandersen은 태양이 이렇게 광대한 곳에서도 여전히 영향을 미칠 것이라고 지적합니다. 거리. "정확한 궤도의 가장자리가 실제로 어디에 있는지는 여전히 논쟁의 여지가 있습니다."라고 그는 말합니다. "새롭게 발견된 이들 중 일부는 그 봉투를 조금 더 일찍 밀어냈고 그 중 하나는 지금까지 본 것 중 가장 큰 궤도를 가지고 있다고 믿습니다."

이 천문학 탐정들이 쫓고 있는 달은 현재 기술이 포착할 수 있는 것의 한계에 있습니다. 위성은 최소 1km 너비입니다. 인공 지능은 더 많은 도약을 제공할 수 있습니다. "우리는 기계 학습 AI 기술을 사용하여 데이터 세트를 컴퓨터에 제공하고 달을 찾도록 지시할 수 있습니다."라고 Gladman은 말합니다. "우리는 여전히 그것에 대해 연구하고 있습니다... 그것은 어려운 일입니다. 하지만 지난 몇 년 동안 사람들은 진정한 진전을 이루기 시작했습니다."

어쨌든 발견은 멈출 기미가 보이지 않습니다. 62개의 새로운 발견이 발표된 지 몇 주 만에 과학자들은 또 다른 놀라움을 느꼈습니다. 목록에 추가할 달이 하나 더 있다는 것입니다. Alexandersen은 BBC와의 인터뷰에서 "어제 또 하나의 달이 발표되었지만 보도 자료에 포함되지 않았습니다. 궤도를 제대로 맞출 수 없었기 때문입니다." "하지만 우리는 그것을 고쳤습니다. 그래서 62가 아니라 63입니다." 그것은 Saturn의 합계를 146으로 만듭니다 .