영국 노섬브리아 대학교 연구팀은 최첨단 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 수십 년 동안 행성 과학계를 곤경에 빠뜨렸던 문제에 대한 핵심 답을 제공했습니다. 토성의 회전 속도가 측정 방법에 따라 "변하는" 것처럼 보이는 이유는 무엇입니까?

"지구물리학 연구 저널: 우주 물리학(Journal of Geophysical Research: Space Physics)"에 발표된 최신 연구에서는 처음으로 토성의 오로라의 온도와 하전 입자 분포에 대한 상세한 이미지를 매핑했습니다. 이는 이 현상이 토성의 오로라에 의해 구동되는 지속적인 자립 피드백 시스템에서 비롯되어 관측 데이터에서 "회전 속도 변화"라는 환상을 만들어낸다는 것을 보여줍니다.

토성의 특이한 행동은 수십 년 동안 천문학자들을 당황하게 했습니다. 2004년경 카시니 우주선으로 대표되는 탐지기에서 얻은 데이터에 따르면 토성의 자전 주기는 시간이 지남에 따라 변하는 것으로 나타났습니다. 이 결과는 전통적인 물리적 이해와 상충됩니다. 즉, 행성의 전체 회전은 오랜 시간 동안 안정적으로 유지되어야 합니다. 2021년 노섬브리아 대학교 행성 천문학과 톰 스탤러드 교수가 주도한 연구는 중요한 단서를 제공했다. 실제로 변화하는 것은 행성 자체의 회전 속도가 아니라 대기권 상층부의 고속 풍장이라는 것이다. 이 바람은 상층 대기에 전류를 생성하고, 이는 다시 오로라 신호에 영향을 미쳐 오로라 전자파를 기반으로 한 '회전 측정'이 변화하고 있는 것으로 보입니다.

그러나 이 설명 자체는 새로운 질문을 제기합니다. 만약 높은 고도의 바람이 해류를 몰고 간다면, 이 바람은 어떻게 처음에 "점화"되고 유지됩니까?

최신 JWST 관찰은 퍼즐의 누락된 조각을 제공합니다. Stallard의 팀은 영국과 미국의 여러 기관과 협력하여 JWST를 사용하여 지구상의 북극광과 유사한 토성의 북극에 있는 오로라 영역을 지속적으로 모니터링하여 "토성의 날" 전체를 포괄하고 전례 없는 공간적, 시간적 해상도로 관측 데이터를 얻었습니다. 연구진은 토성의 상층 대기에 있는 삼수소 양이온(H₃⁺)이라는 분자의 적외선 복사를 분석하는 데 중점을 두었습니다. 이 분자는 온도 변화에 대한 자연스러운 "탐침"이며 대기 가열 조건과 입자 밀도 분포를 반전시키는 데 사용될 수 있습니다.

이전의 지상 및 궤도 관측에서는 약 섭씨 50도의 불확실성으로 온도를 측정했는데, 이는 연구자들이 해결하려고 하는 온도 변동과 거의 동일하며 광범위한 극지방에 걸쳐서만 평균을 낼 수 있습니다. JWST 데이터는 이 정확도를 약 10배 정도 향상시켜 과학자들이 처음으로 오로라 지역의 상세한 국지적 가열 및 냉각 구조를 해결할 수 있게 해줍니다.

관찰은 10여 년 전에 개발된 수치 모델과 잘 일치했지만, 주 열원이 오로라가 대기로 가라앉는 지역, 즉 하전 입자가 자기장 선을 따라 상층 대기로 "분쇄"되는 지역에 정확하게 배치된 경우에만 가능했습니다. 이는 토성의 오로라가 장엄한 광학적 장면일 뿐만 아니라 강력한 국지적 에너지원이기도 함을 보여줍니다. 오로라 입자는 특정 높이 범위 내에서 에너지를 침전 및 축적하여 국지적 대기 온도를 증가시켜 높은 고도의 바람을 일으킵니다. 이 바람은 행성의 자기권과 대기 사이의 경계면에 전류를 자극합니다. 전류는 차례로 오로라에 에너지를 제공하여 오로라가 오랫동안 대기를 유지하고 계속 가열할 수 있게 하여 "오로라-가열-풍류-오로라"의 폐쇄 순환을 형성합니다.

Stallard는 이 과정을 "행성 열 펌프"에 생생하게 비유했습니다. 오로라는 대기를 가열하고, 대기는 바람을 몰고, 바람은 전류를 생성하고, 전류는 오로라에 피드백을 주며, 시스템은 자급자족하며 계속해서 작동합니다. 오로라 전자기 신호를 기반으로 계산된 "회전 속도"가 시간이 지남에 따라 표류하여 토성 자체의 회전이 천천히 변화하는 것처럼 보이게 하는 것은 안정적으로 작동하는 피드백 시스템입니다.

이 연구의 중요성은 토성의 "가변 속도 회전" 미스터리를 설명하는 것 이상입니다. 결과는 토성의 대기와 자기권 사이에 긴밀한 결합이 있음을 보여줍니다. 대기 과정은 전류와 에너지를 외부로 유도하여 자기권 환경을 변화시킬 수 있는 반면, 자기권의 에너지와 입자는 다시 안정되어 에너지를 대기로 다시 전달할 수 있습니다. 이 양방향 에너지 및 운동량 교환 메커니즘은 토성과 같은 비정상적인 신호의 장기적인 안정성에 대한 열쇠가 될 수 있습니다. 또한 강한 자기장과 대기를 가진 다른 행성(가스 거대 행성, 심지어 외계 행성 포함)에도 아직 완전히 이해되지 않은 대기-우주 환경 연결 과정이 있을 수 있음을 시사합니다.

Stallard는 이 결과가 우리가 행성 대기를 이해하는 방식을 바꾼다고 말했습니다. 행성의 대기 상태가 전류를 바깥쪽으로 유도하여 주변 우주 환경을 변화시킬 수 있다면 다른 행성, 심지어 외계 행성의 상층 대기와 성층권을 연구할 때 지금까지 예상치 못한 상호 작용이 발견될 수 있습니다. 관련 결과는 'Journal of Geophysical Research: Space Physics'에 'JWST/NIRSpec은 토성의 가변 자기권 회전 속도의 대기 구동 메커니즘을 밝힙니다'라는 제목으로 게재되었습니다. 이 연구는 영국 과학기술시설협의회(British Science and Technology Facility Council) 및 기타 기관의 자금 지원을 받았습니다.