1. HST는 태양계 내에서 일어나는 폭풍에 대해 무엇을 …명왕성은 우리 태양계 모델에서 가장 작은 스티로폼 공으로 75조km 떨 어진 곳에서

11

제1부 ● 태양계

HST는 우리 태양계 내에 있는 행성, 위성, 고리, 소행성과 혜성들을 자세하게 들여다보게 해주었다. 이런 연구들은 우리 태양계가 어떻게 태어났

고 어떻게 행성들이 형성되고 지구가 진화했는지에 대핸 오래된 질문들에 대한 답을 찾는 데 많은 도움을 주었다.

1. HST는 태양계 내에서 일어나는 폭풍에 대해 무엇을 알려주었는가?

많은 사람들은 천체현상을 수천 년에 걸쳐 변하지 않고 지속되는 것으

로 여기고 있다. 하지만 지난 25년 동안 HST는 태양계 내에서 며칠, 몇

주 또는 몇 년 단위로 변화하는 현상들을 조심스럽게 관측해 왔다. HST

가 다른 행성에서 목격한 단주기 현상 중 하나는 바로 기후변화였다.

HST는 다른 행성들의 한 곳에서 폭풍이 일어나서 다른 쪽으로 움직이

는 현상을 포착해낸 것이다.

꾸준히 변화하는 기후변화 중 하나는 화성에서의 먼지폭풍이다.

HST는 화성에서 가장 큰 먼지폭풍을 수십 년 동안 관측했다. 화성의 폭

풍은 먼지구름이 화성 전체를 수개월 동안 에워싸고 있게 만들어준다.

HST가 지구 궤도에서 관측한 사진은 전체 폭풍의 모습을 보여주는 반

면 우주공간에서 장기 관측을 통해 수개월과 수년 동안 화성의 계절변

화를 추적해볼 수 있다.

외계 행성계에서 일어나는 요동치는 폭풍은 거대행성의 대기를 이곳

저곳으로 움직이게 하는데, HST는 이런 폭풍을 추적해내는 결과를 얻

어냈다. 예를 들어 HST는 목성에서 가장 유명한 특징인 대적반의 크기

가 작아지는 현상을 포착해낸 것이다.

HST의 해왕성 관측은 이 행성에서 바람의 평균시속이 1,450km이

고, 지구 크기 정도까지 커지는 거대한 폭풍이 정기적으로 생겼다 없어

지는 것을 알아냈다. 또한 해왕성의 가을을 처음으로 관측해내서 거대

폭풍을 추적하여 폭풍의 길이와 온도를 추정해낸 바 있다.

단조롭게 보이는 행성 중 하나로 여겨졌던 천왕성이 외계 태양계에서

가장 밝은 구름을 지닌 역동적인 행성이라는 것을 밝혀낸 것도 HST의

업적이다. 구름들은 메탄결정들로 구성되어 있는데, 행성 대기의 깊숙

한 곳에서 솟아오르는 가스들이 따뜻한 거품으로 응결되어 있음이 밝혀

졌다.

HST는 자외선, 적외선, 가시광선 영역으로 관측할 수 있어서 멀리

떨어져 있는 행성들의 구름 속을 들여다볼 수 있어 어떻게 거대한 폭풍

이 일어나는지 연구할 수 있게 해준다. HST의 꾸준한 관측을 통해 태양

계 내에서 다른 행성들에서 일어나는 거친 기후에 대해 더 자세히 알게

되면서 태양계 행성들이 태양 주위를 돌고 있는 잔잔한 암석덩어리 또

는 가스덩어리가 아니라 자신의 계절에 따라 변화하고 진화하는 역동적

인 곳임을 더 확실히 해주었다. 행성의 계절과 기후에 대해서는 이제 막

이해하기 시작한 수준에 불과하다.

2. HST는 명왕성 주변에 대해 무엇을 알게 해주었는가?

명왕성은 우리 태양계 모델에서 가장 작은 스티로폼 공으로 75조km 떨

어진 곳에서 태양 주위를 돌고 있는 얼음, 암석, 그리고 탄화수소 덩어

리라고 알려져 있다. 그래서 태양계 행성으로서의 지위를 박탈당한 후

왜행성으로 분류되면서 카이퍼 벨트(Kuiper belt)라 부른 얼음천체들

집합체의 일원으로 사람들의 관심을 끌지 못했었다. 그런데 2005년에

HST가 닉스와 하이드라라는 위성을 발견한 이후 현재까지 5개의 위성

을 지니고 있음이 밝혀지면서 다시 관심을 받고 있다. 어떻게 명왕성 같

은 작은 행성이 그런 복잡한 위성 시스템으로 구성되게 되었는지에 대

한 연구가 활발히 진행되고 있다. HST의 후속 우주망원경인 제임스 웹

우주망원경도 명왕성에 대한 추적관측을 하여 명왕성과 그 위성들 그리

고 명왕성처럼 멀리 떨어져 있는 카이퍼 벨트에 놓여 있는 천체들의 표

면에서 일어나는 화학적 현상들을 측정해낼 것이다.

지난 20여 년간 우리 태양계 너머에 있는 외계 태양계를 발견하는 연

구가 활발하게 지속되어 왔다. HST는 외계 태양계의 궤도에서부터 대

기까지에 걸친 성질들을 연구하여 어떻게 외계 태양계가 우리 태양계와

비교되는지에 대한 기본적인 질문에 답하는 노력을 하고 있다. 1990년

허블우주망원경 25년 본문.indd 11 2018. 8. 27. 오후 3:48

12

에 HST가 발사되기 전에는 우리 태양계 밖에 외계 태양계가 존재한다

고 아무도 믿지 않았다. 그러나 이제는 5,000개 이상의 외계 태양계가

발견되었고, 그중 1,500개 이상이 외계 행성들을 지니고 있음이 밝혀

졌다. 바로 이런 연구에 HST가 적극적으로 활용되고 있으며 많은 성과

를 내고 있다.

3. 허블우주망원경은 NASA의 행성 탐사선들을 어떻게 도와주고 있는가?

2007년 7월 7일에 NASA의 던(Dawn) 탐사선이 4년간의 비행을 거쳐

소행성대에 도착한 바 있다. 던 탐사선의 임무는 몇몇 소행성을 방문해

보는 것이었는데, 2011년에는 베스타 주변의 궤도를 선회하고 2015년

에는 세레스를 방문하여 과학자들이 이전까지는 안개처럼 퍼진 사진으

로만 보았던 소행성들을 근접 연구해보는 것이었다.

던 탐사선이 베스타에 처음 방문하는 것을 준비하기 위하여 2007년

에 천문학자들은 허블우주망원경의 WFPC2를 사용하여 이 소행성의

지형과 위상 배치 등을 정찰하였다. 또한 베스타의 남반구 지도를 만

들었는데, 이 지역은 수십억 년 전 충돌에 의해 거대한 충돌분화구가

있는 지역이다. 이 분화구의 직경은 456km 정도로, 베스타의 직경인

530km에 버금가는 크기이다. 이런 충돌로 인해 암석덩어리가 깨져 50

개 이상의 소행성들이 만들어져 베스타의 지각에서 떨어져 나간 것 같

다. 이런 소행성들을 베스타 소행성(vestoids)이라 부른다.

허블우주망원경 관측기기는 60km를 분해해내는 뛰어난 성능을 지

니고 있어서 소행성 표면에서 보이는 밝기와 색의 차이를 구분해낼 수

있다. 이런 특징들을 이용하여 행성과학자들은 던 탐사선이 2011년 7

월 베스타에 방문했을 때 어떤 지역을 근접해서 관측할지 중요한 결정

을 하여 과학적으로 가장 생산성이 높은 지역을 선택해서 관측할 수 있

었다.

던 탐사선이 베스타와 세레스에 도착하기 전에, 허블우주망원경은

이미 각 소행성들에 대한 최상의 사진들을 제공해주었다. 이런 방법으

로 허블우주망원경이 소행성 탐사선의 관측을 지원해주는 역할은 소행

성대에서 끝나지 않는다. 사실 뉴호라이즌스 탐사선의 명왕성 탐사를

준비하기 위해 명왕성을 관측한 바 있다. 허블우주망원경을 이용하여

천문학자들은 명왕성의 새로운 위성들을 발견하고 표면지도를 만들어

냈을 뿐만 아니라 뉴호라이즌스 탐사선이 명왕성을 방문하여 탐사할 잠

재적인 목표지까지 발견하여 준비 중이다. 뉴호라이즌스 탐사선이 명

왕성을 방문하여 근접 사진을 찍어낸다면 허블우주망원경 사진보다 훨

씬 더 훌륭한 사진이 될 것이다.

4. 허블우주망원경은 제임스 웹 우주망원경의 태양계 탐사를 어떻게 도울 것인가?

NASA의 천문관측 우주선들은 태양계 연구에 아주 중요한 발전을 가능

하게 했다. 허블과 스피처 우주망원경을 이용한 관측을 통해 태양계에

대해 지금까지 알지 못했던 사실들이 밝혀졌을 뿐만 아니라 행성 탐사

의 효율성도 높아지게 되었다. 예를 들어 화성을 꾸준히 모니터링 관측

한 결과 화성 탐사선이 착륙할 최적의 장소를 찾아내는 데 도움을 주었

다. 또한 최근의 우주망원경을 이용하여 카이퍼 벨트에 있는 천체들을

발견하여 향후 뉴호라이즌스 탐사선이 연구할 수 있게 해주었다.

2021년에 발사될 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space

Telescope, JWST)은 태양계 연구를 포함한 천체물리학의 많은 분야

의 연구에 혁명을 일으켜줄 것으로 기대하고 있다. JWST는 허블이나

스피처 우주망원경보다 더 큰 능력을 지니고 있다. 무엇보다 감도가 아

주 좋아서 행성에 있는 작은 현상들을 분해해낼 것이고 특별한 색을 지

닌 천체들까지도 보게 해줄 것이다. JWST는 허블과 스피처 우주망원

경이 이루어 놓은 업적을 바탕으로 태양계 천체들을 더 자세히 들여다

보게 될 것이고 생명체의 근원에 대한 실마리도 제공해주길 기대하고

있다.


13

제1장•목성의 대적반(Jupiter’s Great Red Spot)

목성은 대적반을 지니고 있는 것으로 잘 알려져 있는데, 대적반은 목성 대기에서 일어나는 지구보다 더 큰 규모의 폭풍이다. 거의 20년에 걸친 허블우주망원경의 목성 관측을 통해 그 폭풍이 급격하게 줄어들고 있음이 밝혀졌다.


14

목성의 대적반

거대행성인 목성의 대기는 부글부글 끓고 있는 가마솥과 같은 활동성을 보이고 있으며, 지구에서 약 8억km 떨어져 있다. 이곳에서는 번개도 치고

있고 구름벨트가 서로 다른 방향으로 이동하고 있으며 회전하는 수백 개의 폭풍도 일어나고 있는데, 이 폭풍들은 빨간색, 하얀색 그리고 갈색의 계

란 형태로 보인다. 이들 폭풍 중 가장 큰 것은 대적반(Great Red Spot, GRS)이라 불리는 전설적인 고기압권이다. 사실 GRS는 태양계 내에서 가장

큰 폭풍이다.

목성의 남반구에 위치하고 있는 GRS는 지구보다 큰데, 대적반 내의 바람은 시속 800km 정도 된다. 둘러싸고 있는 구름 띠와 비교해볼 때 GRS

의 경도가 이동하는 반면 폭풍의 위도는 지금까지 관측된 기록에서는 변화하지 않는다. GRS는 1632년 Dunisburgh의 수도원장인 Leander

Bandtius에 의해 처음으로 관측된 것 같다. 1664년에 철학자이자 건축가이며 박식한 사람인 Robert Hooke가 이 반점이 목성의 동쪽에서 서쪽으

로 이동했다는 것을 관측했다고 보고한 바 있다. 그다음 해에 천문학자이자 수학자, 엔지니어인 Giovanni Cassini가 처음으로 ‘변하지 않는 반점’

이라고 언급하였다.

1979년에 보이저호는 GRS의 장축이 23,400km 정도 되는 것으로 측정하였다. 1800년대 말로 거슬러 올라가는 역사적인 GRS의 장축 측정 결과

는 41,000km 정도였다. 허블우주망원경의 작동 수명이 연장되면서 천문학자들은 20여 년 정도에 걸친 기간 동안의 목성 대기활동을 추적해낼 수

있었다. NASA의 GSFC의 Amy Simon 연구팀은 허블우주망원경 관측 자료를 이용하여 GRS가 현재 위에서 아래까지가 13,000km이고 가로가

16,500km가 됨을 밝혀냈다－GRS는 현재 지금까지 측정된 가장 작은 크기까지 수축해 있는 상태인데, 지난 수백 년 동안 그 크기의 절반이 되어

버렸다.

동영상 1.1：지난 20여 년 동안 수축하고 있는 목성의 대적반

목성은 대적반을 지니고 있는 것으로 유명한데, 대적반은 지구보다 더 큰 목성대기에서 일어나는 폭풍이다. 거의 20년 가까이에 걸친 허블우주망원경의 목성 관측을 통해 그 폭풍이 급격하게 줄어들고 있음이 밝혀졌다.


15

허블 관측에 따르면, GRS는 장축을 따라 1년에 930km 정도로 작아지고 있으며, 또 그 모습은 타원형에서 원형으로 변화하고 있다. 현재의 수축대

로라면, 폭풍은 4년 후에 원형을 띠게 될 것으로 예측된다. 지구에서 일어나는 폭풍과 마찬가지로 이런 폭풍들은 아주 복잡한 구조를 지니고 있어

서 나중에 어떻게 될 것인지를 모델링하거나 정확하게 예측하는 일은 아주 어렵기 때문에, 이 소용돌이는 완전히 사라져 버릴 수도 있고 아니면 더

커지게 될 수도 있다. 지구에서 발생하는 폭풍에 대한 예측을 하는 것도 아주 어렵다.

최근의 허블우주망원경 관측에 의하면 아주 작은 소용돌이들이 폭풍 속으로 공급되고 있는 것 같다. Simon 연구팀은 이런 작은 소용돌이들이 GRS

안에서의 동역학과 에너지를 갑작스럽게 변하게 한다는 가정을 내놓았다. 이 연구팀은 GRS의 내부운동과 함께 이런 작은 소용돌이들의 향후 운동

을 조사하여, 그런 소용돌이들이 운동량을 공급하거나 빼앗아서 상승하는 소용돌이 안으로 들어가 GRS의 크기나 모습에 변화를 일으킬 수 있는지

를 파악해보려는 연구를 계획하고 있다.

팩트 정리 1 ▶ 목성의 대적반

위치：태양에서 5번째 행성

거리：태양으로부터 평균거리 7억 7,800만km 또는 5.2AU

분류：목성형 행성(가스 거대행성)

허블우주망원경 뉴스 자료실：Hubble Shows that Jupiter’s Great Red Spot Is

Smaller than Ever Seen Before(http://hubblesite.org)


16

제2장•토성(Saturn)

2009년 2월의 관측을 보면, 유명한 토성의 고리들은 거의 가장자리로 기울어져 있는 반면 몇몇 위성과 그림자들은 토성 앞에서 춤추고 있다. 천문학자들은 HST의 WFPC2를 이용하여 14억km 떨어진 곳의 장면을 포착해냈다.


17

토성

토성은 주위를 돌고 있는 흥미있는 고리를 지니고 있는 것으로 유명하다. 그렇지만 그 고리가 우리에게 보이는 겉모습은 토성이 태양 주위를 공전

하기 때문에 변한다. 토성의 공전주기인 약 30년의 절반인 매 15년마다 토성의 고리는 측면에서 보이는 것처럼(edge－on) 보이고, 때로는 모두 사

라지는 것처럼 보이기도 한다. 토성의 위성들 중 여러 개가 고리와 같은 평면에서 토성 주위를 공전하고 있기 때문에, 위성들은 이 기간 동안에 토성

앞을 가로질러 지나가는 것처럼 보이기도 한다.

2009년 2월 24일, 토성의 고리가 거의 측면에 놓여 있었을 때, 허블우주망원경은 고리를 지니고 있는 거대위성의 앞면을 가로지르고 있는 토성의

위성 4개를 추적하였다. 허블우주망원경의 WFPC2가 찍은 사진에서 보면, 오렌지색의 큰 위성 타이탄은 토성 원반의 위쪽 가장자리 근처에 어둡

고 둥근 그림자를 만들어낸다. 더 작은 위성 미마스와 그림자는 타이탄의 왼쪽 아래에 흰색과 검은색 점으로 보이는데, 토성에 투영된 고리의 얇고

길게 드리워진 그림자 바로 위에 놓여 있다. 밝은 위성 디오네와 어둡게 보이는 위성 엔셀라두스가 먼 왼쪽의 고리 위에 맴돌고 있다.

밝은 고리들의 눈부심이 사라졌을 때 토성이 보여주는 드문 현상은 천문학자들에게 토성 주변에 있는 어두운 고리와 위성들을 발견하고 연구할 수

있는 기회를 제공해준다. 사실 천문학자들은 1655~1980년 사이에 토성의 고리가 측면으로 보이는 시기에 토성의 희미한 E 고리와 13개의 위성을

발견했다.

동영상 2.1：토성 면을 지나가는 위성들의 시각화

엔셀라두스디오네

타이탄

미마스


18

토성의 고리가 1995년에 측면으로 보일 때, 로웰천문대의 Amanda Bosh가 이끄는 연구팀과 코넬대학의 Philip Nicholson이 이끄는 연구팀들이

허블우주망원경을 이용하여 몇 주 내에 사라져 버린 좁은 F고리 내에 있는 밝고 일시적으로 보이는 둥근 활 모양과 덩어리 모양의 정체를 밝히려 하

였다. 그들의 허블우주망원경 관측은 F고리 근처에 있는 위성인 프로메테우스의 궤도가 1980년에 NASA의 보이저 1호 탐사선에 의해 발견된 이

후에 변화되었다는 것을 밝혀냈는데, 이는 프로메테우스가 토성 주위를 공전하면서 F고리 또는 다른 인접 위성들과 상호작용을 하고 있다는 것을

암시해주고 있다.

토성의 고리가 완전히 측면(edge－on)이 아닌 상태로 기울어져 보일 때에는, 허블우주망원경의 분광사진 관측 자료를 이용하여 토성의 남극 주변

에서 빛나고 있는 자외선 오로라를 연구할 수 있다. 이런 관측들을 통해 토성의 오로라가 매일매일 변화하는 것을 밝혀냈는데, 이련 변화는 토성 자

기장을 통해 쏟아지고 있는 태양입자의 흐름에서 일어나는 변동에 의해 생겨난다.

1996~2000년 토성의 모습

허블우주망원경의 WFPC2가 1996년(왼쪽 아래)부터 2000년(오른쪽 위)까지 매년 촬영한 토성 사진. 5장의 사진은 토성 고리의 겉보기 모습이 시간에 따라 어떻게 변하는지 보여주고 있다.


19

토성의 남극 주변에 발생하는 오로라의 변화를 보여주는 3개의 합성사진. 오로라를 보여주고 있는 자외선 관측 자료는 2004년 1월 24일, 26일과 28일에 허블우주망원경의 분광사진기로 촬영되었다. 허블우주망원경의 전천탐사를 위한 첨단 카메라(Advanced Camera, AC)는 2004년 3월 22일 토성의 가시광선 파장의 사진을 촬영했다.

토성의 오로라

팩트 정리 2 ▶ 토성

위치：태양에서 6번째 행성

거리：태양으로부터 평균거리 14억km 또는 9.5AU

분류：목성형 행성(가스 거대행성)

허블우주망원경 뉴스 자료실：Quadruple Saturn Moon Transit Snapped by Hubble(http://hubblesite.org)


Documents

1. HST는 태양계 내에서 일어나는 폭풍에 대해 무엇을 …명왕성은 우리 태양계 모델에서 가장 작은 스티로폼 공으로 75조km 떨 어진 곳에서