보이저와 허블, 외행성 탐험의 동반자

1989년, 보이저 탐사선은 해왕성을 근접 통과하며 인류 최초로 태양계 외행성 네 곳(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)의 탐험을 완수했습니다. 1977년 발사된 쌍둥이 보이저 1호와 2호는 이들 행성이 과학자들이 상상했던 것보다 훨씬 복잡한 세계임을 밝혀냈습니다. 하지만 더 많은 것을 알아내야 했습니다.

 

 

허블 우주 망원경의 OPAL 프로젝트

NASA의 허블 우주 망원경은 OPAL(Outer Planet Atmospheres Legacy)이라는 관측 프로그램을 통해 이들 외행성의 대기 역학과 진화를 장기적으로 관측하고 있습니다. 보이저 탐사선이 제공하지 못했던 추가적인 정보를 얻기 위함입니다. NASA 고다드 우주 비행 센터의 에이미 사이먼은 OPAL을 이용한 외행성 관측을 진행하며 "보이저는 모든 이야기를 들려주지 않는다"고 말했습니다.

허블 우주 망원경의 이미지 선명도는 보이저가 외행성에 접근했을 때와 견줄 만하며, 자외선부터 근적외선까지 다양한 파장대의 빛을 관측할 수 있습니다. 특히 허블은 높은 공간 해상도와 안정적인 이미지를 지속적으로 제공할 수 있는 유일한 망원경입니다. 이를 통해 구름의 색 변화, 활동, 대기 운동에 대한 전 지구적인 연구를 수행하고, 날씨 및 기후 시스템의 기본 메커니즘을 파악하는 데 도움을 줍니다.

 

외행성의 독특한 날씨

네 개의 외행성은 모두 단단한 표면 없이 두꺼운 대기층으로 이루어져 있습니다. 이들의 역동적인 대기는 다채로운 색의 구름 띠와 수년간 지속되거나 갑자기 나타나는 거대한 폭풍 등 각기 독특한 날씨 시스템을 가지고 있습니다. 또한 각 행성은 매우 긴 계절을 가지고 있습니다. 제임스 웹 우주 망원경의 적외선 관측 능력은 OPAL 관측을 보완하여 외행성 대기 깊숙한 곳을 탐사하는 데 활용될 예정입니다.

이러한 복잡한 행태를 추적하는 것은 마치 지구의 역동적인 날씨를 수년간 관찰하고 태양이 태양계 날씨에 미치는 영향을 이해하는 것과 유사합니다. 또한 이 네 개의 먼 행성들은 다른 별을 공전하는 유사한 행성의 날씨와 기후를 이해하는 데 중요한 참고 자료가 됩니다.

 

 

장기 관측의 중요성

행성 과학자들은 허블이 매년 보내오는 데이터가 흥미롭기는 하지만 외행성의 모든 이야기를 담고 있지는 않다는 것을 깨달았습니다. 이에 허블의 OPAL 프로그램은 외행성이 지구에 가장 가까워지는 시기에 맞춰 매년 정기적으로 관측을 진행하고 있습니다. 이러한 장기적인 관측을 통해 외행성의 대기 변화를 더욱 정확하게 파악할 수 있게 되었습니다.

 

 

OPAL 프로젝트의 지속적인 성과

OPAL 프로젝트는 10년 이상 지속되면서 행성 관측 데이터베이스를 꾸준히 확장해 왔습니다. 이러한 장기 관측은 예상치 못한 발견을 가능하게 할 뿐만 아니라 행성들이 태양을 공전하면서 나타나는 장기적인 대기 변화를 추적할 수 있도록 해줍니다. 에이미 사이먼은 OPAL 데이터를 포함한 60편 이상의 논문이 발표된 것을 강조하며, 이 데이터의 과학적 가치를 입증했습니다.

이러한 노력은 전 세계 행성 천문학자들과 공유할 만한 놀라운 발견들을 낳는 거대한 데이터 아카이브로 이어지고 있습니다. 사이먼은 또한 "OPAL은 다른 지상 및 우주 기반 행성 프로그램과 연계됩니다. 다른 천문대와 우주 미션의 많은 논문들이 맥락을 파악하기 위해 OPAL의 허블 데이터를 활용합니다"라고 덧붙였습니다. 허블의 OPAL 프로그램을 통한 10년간의 발견은 워싱턴 D.C.에서 열리는 미국 지구 물리학 연맹의 12월 회의에서 발표될 예정입니다.

 

 

목성의 역동적인 대기 관측

목성의 구름 띠는 끊임없이 변화하는 모양과 색상의 만화경을 보여줍니다. 목성에는 항상 폭풍우가 몰아치는데, 사이클론, 안티사이클론, 풍속의 급격한 변화, 그리고 태양계에서 가장 큰 폭풍인 대적점(GRS)이 존재합니다. 목성은 수만 마일 깊이의 대기 위에 주로 암모니아 얼음 결정 구름으로 덮여 있습니다.

허블의 선명한 이미지는 구름을 추적하고 바람, 폭풍, 소용돌이를 측정하는 것은 물론 대적점의 크기, 모양, 행동을 관측합니다. 허블은 대적점이 계속해서 크기가 줄어들고 바람의 속도가 빨라지는 과정을 추적합니다. OPAL 데이터는 최근 성층권 안개의 "극지 모자"에서 자외선 파장에서만 보이는 신비한 검은 타원형이 얼마나 자주 나타나는지 측정했습니다. 지구와 달리 목성의 자전축은 3도밖에 기울어져 있지 않습니다(지구는 23.5도). 목성의 공전 주기는 12년이며 태양과의 거리가 약 5% 변하기 때문에 계절 변화가 예상되지 않을 수도 있지만, OPAL은 계절적 영향을 면밀히 관찰합니다. 또한 허블의 또 다른 장점은 지상 관측소에서는 목성의 두 번의 자전(20시간) 동안 연속적으로 관측할 수 없다는 것입니다. 그 시간 동안 지상 관측소는 낮 시간으로 바뀌고 다음날 저녁까지 목성을 볼 수 없게 됩니다. 허블은 이러한 제약 없이 지속적인 관측이 가능합니다.

 

토성의 계절 변화와 수수께끼의 고리

토성은 태양을 한 바퀴 도는 데 29년 이상이 걸리기 때문에 OPAL은 카시니 미션이 끝난 후인 2018년부터 약 1/4 토성년 동안 관측을 진행해 왔습니다. 토성은 26.7도 기울어져 있기 때문에 목성보다 훨씬 심한 계절 변화를 겪습니다. 토성의 계절은 약 7년 동안 지속됩니다. 이는 또한 허블이 장관을 이루는 고리 시스템을 거의 30도의 사각에서 관측할 수 있음을 의미합니다. 고리가 가장자리에서 보일 때, 비교적 얇기 때문에 거의 사라져 보입니다. 이러한 현상은 2025년에 다시 나타날 것입니다.

OPAL은 토성 대기의 색 변화를 추적해 왔습니다. 색의 변화는 카시니 탐사선에 의해 처음 감지되었지만, 허블은 더 긴 기준선을 제공합니다. 허블은 구름의 높이와 바람에 의해 발생할 수 있는 색상의 미묘한 연간 변화를 밝혀냈습니다. OPAL이 토성년의 일부만 관측했기 때문에 관측된 변화는 미묘합니다. 토성이 다음 계절로 접어들 때 주요 변화가 일어납니다.

토성 고리 평면을 가로지르는 수수께끼의 검은 고리 바큇살은 고리와 함께 회전하는 일시적인 특징입니다. 이들의 희미한 모습은 토성 주위를 두세 번 회전하는 동안만 유지됩니다. 활동 기간 동안 새로 형성된 바큇살이 패턴에 계속 추가됩니다. 이들은 1981년 보이저 2호에 의해 처음 관측되었습니다. 카시니 또한 2017년에 종료된 13년간의 임무 동안 바큇살을 관측했습니다. 허블은 바큇살의 출현 빈도가 계절에 따라 달라지며, 2021년 OPAL 데이터에서 처음 나타났음을 보여줍니다. 장기 모니터링 결과 바큇살의 수와 명암 모두 토성의 계절에 따라 변하는 것으로 나타났습니다.

 

 

천왕성의 극단적인 계절 변화

천왕성은 자전축이 행성 궤도면에 거의 놓여 있도록 옆으로 기울어져 있습니다. 이로 인해 천왕성은 태양 주위를 84년 동안 공전하면서 극단적인 계절 변화를 겪습니다. 행성의 기울기로 인해 한쪽 반구의 일부는 최대 42년 동안 햇빛이 완전히 차단됩니다. OPAL은 현재 태양을 향하고 있는 북극을 관측하고 있습니다. 이러한 관측을 통해 천왕성의 특이한 계절 변화를 이해하는 데 중요한 데이터를 제공하고 있습니다.

 

천왕성의 북극 변화와 해왕성의 대흑점

OPAL을 통해 허블은 태양이 마지막으로 행성의 적도 바로 위를 비추었던 춘분 이후 천왕성을 처음으로 촬영했습니다. 허블은 북극에 여름이 다가옴에 따라 북반구 중위도에서 나타나는 메탄 얼음 결정 구름과 함께 여러 폭풍을 포착했습니다. 천왕성의 북극은 현재 경계 가장자리 근처에 여러 개의 작은 폭풍이 있는 두꺼운 광화학적 안개를 가지고 있습니다. 허블은 북극의 크기를 추적해 왔으며 매년 밝아지고 있습니다. 2028년 북반구의 하지에 가까워질수록 북극은 더욱 밝아질 수 있으며, 지구를 직접 향하게 되어 고리와 북극을 잘 볼 수 있게 됩니다. 이때 고리 시스템은 정면으로 보이게 됩니다. 시간이 지남에 따라 천왕성이 어떻게 변하는지 이해하는 것은 NASA에서 제안한 천왕성 궤도선 및 탐사선 임무 계획에 도움이 될 것입니다.

 

 

해왕성의 대흑점과 태양 활동의 연관성

1989년 보이저 2호가 해왕성을 지나갔을 때 천문학자들은 대기에서 대서양 크기의 거대한 검은 반점에 당황했습니다. 그것은 목성의 대적점처럼 오래 지속되는 것일까요? 이 질문은 1994년 허블이 그러한 검은 폭풍이 일시적이며 각각 2년에서 6년 동안 나타났다 사라진다는 것을 보여줄 수 있을 때까지 미해결 상태로 남아 있었습니다. OPAL 프로그램 동안 허블은 하나의 검은 반점의 종말과 두 번째 반점의 전체 수명 주기를 관측했습니다. 두 반점 모두 소멸되기 전에 적도를 향해 이동했습니다. OPAL 프로그램은 천문학자들이 또 다른 반점을 놓치지 않도록 보장합니다.

허블 관측은 해왕성의 변화하는 구름의 풍부함과 11년 태양 주기 사이의 연관성을 밝혀냈습니다. 해왕성과 태양 활동 사이의 연관성은 해왕성이 태양계에서 가장 먼 주요 행성이기 때문에 행성 과학자들에게 놀라운 일입니다. 지구에 비해 약 1/1000의 햇빛만 받습니다. 하지만 해왕성의 전 지구적인 흐린 날씨는 태양 활동의 영향을 받는 것으로 보입니다. 행성의 계절도 역할을 할까요? 추가적인 연구가 필요한 부분입니다.

허블 우주 망원경은 30년 이상 운영되어 왔으며 우주에 대한 우리의 기본적인 이해를 형성하는 획기적인 발견을 계속하고 있습니다. 허블은 NASA와 ESA(유럽 우주국) 간의 국제 협력 프로젝트입니다. 메릴랜드 주 그린벨트에 있는 NASA의 고다드 우주 비행 센터는 망원경과 미션 운영을 관리합니다. 덴버에 기반을 둔 록히드 마틴 스페이스 또한 고다드에서 미션 운영을 지원합니다. 천문학 연구 대학 협회에서 운영하는 볼티모어의 우주 망원경 과학 연구소는 NASA를 위한 허블 과학 운영을 수행합니다.