NASA의 제임스 웹 우주망원경은 목성 대기에서 시속 320마일로 움직이고 주 구름 위 15~30마일 상공에 위치한 고속 제트기를 발견했습니다. 제트기는 폭이 3,000마일 이상이며 아래에 보이는 구름보다 훨씬 빠르게 이동하여 목성 대기의 역학에 대한 복잡한 세부 사항을 드러냅니다.

NASA의 제임스 웹 우주 망원경(배경)을 사용하여 목성에 대한 근적외선 관측을 통해 적도 위의 좁은 지역에서 이전에는 감지되지 않은 지구의 제트기류(빨간색 화살표)와 유사한 고고도 바람을 발견했습니다. NASA 허블 우주 망원경의 측정에 따르면, 이 바람은 20마일 아래 눈에 보이는 구름(파란색 화살표)에서 바람의 속도보다 거의 두 배 빠른 속도로 흐릅니다. 출처: M.H. 버클리 캘리포니아 대학교 웡(Wong); R. Hueso, 바스크 지방 대학교; NASA; ESA; CSA; STScI; I. dePater, 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스; T. Fouchet, 파리 천문대; L. Fletcher, 레스터 대학교.

NASA의 제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)은 목성 대기에서 아래에 보이는 구름보다 두 배 빠른 속도로 이동하는 빠르게 움직이는 제트를 발견했으며, 이는 지구에서 볼 수 있는 어떤 것보다 훨씬 더 큰 바람 전단을 생성합니다.

시속 515km(320mph)로 이동하고 폭이 4,800km(3,000마일) 이상인 이 고속 제트기는 목성 적도 위, 광학 사진에서 볼 수 있는 친숙한 주 구름 위 25~50km 위에 위치해 있습니다.

NASA의 제임스 웹 우주 망원경의 NIRCam(근적외선 카메라)으로 촬영한 이 목성 이미지는 이 장엄한 행성을 적외선으로 놀랍도록 자세하게 보여줍니다. 이 이미지에서 밝기는 높이를 나타냅니다. 수많은 밝은 흰색 "점"과 "줄무늬"는 고도가 높은 대류 폭풍에 의해 응축된 구름 꼭대기일 가능성이 높습니다. 이 이미지에서 빨간색으로 표시된 오로라는 지구의 북극과 남극 위 하늘 높이 뻗어 있습니다. 대조적으로, 적도 북쪽의 어두운 띠는 구름이 거의 없습니다. Webb의 2022년 7월 목성 이미지에서 연구원들은 최근 목성 적도 위의 주 구름 위로 시속 515km의 속도로 이동하는 좁은 제트를 발견했습니다. 출처: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso(UPV), Imkede Pater(UC Berkeley), Thierry Fouchet(파리 천문대), Leigh Fletcher(University of Leicester), Michael H. Wong(UC Berkeley), Joseph DePasquale(STScI)

허블 관측 데이터와의 비교

NASA 허블 우주 망원경의 관측에 따르면 눈에 보이는 구름의 풍속은 시속 약 180마일(시속 250km)입니다. 이는 눈에 보이는 구름 위의 1km가 추가될 때마다 풍속이 시속 7~10km씩 증가한다는 것을 의미한다고 최근 Nature Astronomy 저널에 발표된 연구 결과를 설명하는 논문의 주요 저자인 Ricardo Hueso가 말했습니다.

스페인 빌바오 소재 바스크 지방 대학의 후소(Huso)는 "이것은 전혀 예상치 못한 일이었다"고 말했다. "우리는 항상 목성의 대기에서 흐릿한 안개를 보았지만 이제는 명확한 특징을 볼 수 있으며 목성의 적도 구름에서 발견되는 일반적인 속도보다 훨씬 빠르게 움직이는 목성의 빠른 회전을 추적할 수 있습니다."

연구원들은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)를 사용하여 목성 적도 위, 주 구름 위의 고속 제트를 발견했습니다. 목성 구름 위 약 20~35km(12~21마일)의 2.12미크론 파장에서 연구원들은 풍속이 고도나 거리에 따라 변하는 지역인 여러 개의 윈드 시어를 발견하여 제트를 추적할 수 있었습니다. 이 이미지는 목성의 한 회전(10시간) 사이의 제트 운동에 의해 매우 명확하게 교란되는 목성 적도 주변의 여러 특징을 강조합니다. 출처: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso(UPV), Imkede Pater(UC Berkeley), Thierry Fouchet(파리 천문대), Leigh Fletcher(University of Leicester), Michael H. Wong(UC Berkeley), Joseph DePasquale(STScI)

이 제트의 발견은 목성의 난류로 유명한 대기층이 어떻게 서로 상호 작용하는지, Webb이 이러한 특징을 어떻게 고유하게 추적할 수 있는지에 대한 통찰력을 제공합니다.

Webb 망원경의 고급 이미징 기술

목성의 새로운 이미지는 ERS(초기 방출 과학) 프로그램의 일환으로 웹 망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)를 통해 2022년 7월에 촬영되었습니다. 목성계에 대한 ERS 관측은 버클리 캘리포니아 대학교 천문학 명예교수인 Imkede Pater와 파리 천문대의 Thierry Fouchet가 공동으로 주도했습니다.

가시광선 파장(흰색 윤곽선)과 연구에 사용된 다양한 필터(색선) 관측을 통해 재구성한 목성 대기의 리본 바람의 전체 구조. 배경 이미지는 JWST의 흐릿한 민감성 상부 이미지의 색상 조합입니다. 오른쪽 이미지는 적도 지역 위 중앙의 좁은 제트를 클로즈업한 것입니다. 이미지 출처: NASA/ESA/CSA 및 Jupiter Early Release Science Team

"목성계의 변화하는 날씨 패턴은 다양한 지상 망원경, NASA의 Juno 및 Cassini와 같은 우주선, NASA의 허블 우주 망원경에 의해 관찰되었지만 Webb 망원경은 목성의 고리, 달 및 대기에 대한 새로운 발견을 제공했습니다."라고 dePater는 말했습니다.

NIRCam은 4개의 서로 다른 필터를 사용하여 10시간(목성 하루) 간격으로 목성의 이미지를 얻었습니다. 각 필터는 목성 대기의 다양한 높이에서 작은 특성 변화를 감지할 수 있습니다. 풍속은 목성 대기의 전형적인 광화학 스모그 입자와 암모니아 얼음이 혼합된 구름과 같은 작은 특징의 움직임을 추적하여 계산되었습니다.

"우리는 웹과 허블의 서로 다른 파장이 폭풍 구름의 3차원 구조를 드러낼 것이라는 것을 알고 있었지만 폭풍이 얼마나 빨리 발전했는지 확인하기 위해 데이터의 시간적 특성을 사용할 수도 있었습니다"라고 공동 저자이자 목성 시스템에 대한 ERS 프로그램의 공동 연구자인 버클리 캘리포니아 대학의 마이클 웡(Michael Wong)이 말했습니다.

목성의 대기는 여러 겹으로 이루어져 있으며, 이 그림은 Webb 망원경이 이전보다 더 높은 고도에서 정보를 독특하게 수집할 수 있는 방법을 보여줍니다. 과학자들은 Webb 망원경을 사용하여 목성 대기의 다양한 층에서 풍속을 확인할 수 있었고 이를 통해 고속 제트기를 분리할 수 있었습니다. 목성에 대한 관측은 10시간, 즉 목성 하루를 기준으로 구분된 세 개의 서로 다른 필터로 수행되었으며, 각 필터는 목성 대기의 서로 다른 고도에서 작은 특성 변화를 감지할 수 있었습니다. 출처: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso(UPV), Imkede Pater(UC Berkeley), Thierry Fouchet(파리 천문대), Leigh Fletcher(University of Leicester), Michael H. Wong(UC Berkeley), Andi James(STScI)

성층권 현상에 대한 통찰력

고속 제트는 목성, 토성, 지구에서 수십 년 동안 관찰된 복잡한 현상, 즉 행성 대기의 성층권 높은 곳에서 발생하는 온도와 바람의 규칙적인 진동의 뿌리 깊은 대응일 수 있습니다. 목성에서 이러한 적도 열 진동은 눈에 보이는 구름 위 30~150km에 위치하며 4~6년의 주기를 갖습니다.

영국 레스터 대학의 레이 플레처(Leigh Fletcher) 팀 멤버는 "목성의 적도 성층권에는 이러한 파장의 구름과 안개에서 측정된 바람보다 더 높은 복잡하지만 반복 가능한 바람과 온도 패턴이 있습니다. 이 새로운 제트의 강도가 성층권의 진동 패턴과 관련이 있다면 우리는 제트가 향후 2~4년에 걸쳐 크게 변화할 것으로 예상할 수 있습니다. 앞으로 이 이론을 테스트하는 것은 매우 흥미로울 것입니다."라고 말했습니다.

웹 및 허블 우주 망원경으로 측정한 초당 미터 단위의 풍속 세부 정보입니다. 이미지 크레디트: 버클리 캘리포니아 대학교 M.H.Wong; R.Hueso, 바스크 지방 대학교; NASA; ESA; CSA; STScI; I.dePater, 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스; T.Fouchet, 파리 천문대; L.Fletcher, 레스터대학교

목성의 리본 제트 이해하기

Hueso는 제트가 목성과 토성 대기의 주요 특징 중 하나라고 지적했습니다. 이러한 제트는 위도와 완벽하게 정렬되므로 리본 제트라고 합니다. 이러한 줄무늬 배열은 행성의 빠른 회전(목성과 토성 모두 약 10시간의 회전 주기를 가짐)의 결과이며, 이로 인해 코리올리 힘과 위도 기압 구배 사이의 균형이 이루어집니다.

목성과 토성에서 제트는 시간에 따라 대부분 안정적이며 수년 또는 수십 년에 걸쳐 구름의 사소한 변화만 관찰됩니다.

"나에게 흥미로운 점은 JWST 이전에는 누구도 그렇게 좁은 고속 제트를 생각하지 못했다는 것입니다. 우리는 토성에 그렇게 좁은 제트가 있다는 것을 알고 있으므로 목성의 유사한 특징을 발견하면 목성의 제트의 형성 메커니즘은 다르지만 두 개의 거대한 행성에 대한 새로운 비교 연구가 가능해집니다."라고 Wong은 말했습니다.

dePater와 Wong을 포함한 천문학자들은 거대한 폭풍과 암모니아 얼음 구름이 존재하는 목성 대기의 더 낮은 층과 더 깊은 층을 연구하기 위해 마이크로파, 적외선, 가시광선 및 자외선 파장으로 목성을 관찰하기 위해 오랫동안 지상 및 우주 기반 망원경을 사용해 왔습니다. Webb 망원경의 근적외선 파장 범위는 이전보다 더 넓어졌으며 목성의 구름 꼭대기에서 약 25~50km 떨어진 상층 대기에 민감합니다.

따라서 이러한 높은 고도의 안개는 초기 근적외선 이미지에서 종종 흐릿하게 나타나는 반면, 적도 지역이 더 밝아짐에 따라 Webb 망원경은 밝은 안개 띠에서 더 미세한 세부 사항을 확인할 수 있습니다.