12 강 : 태양계부스러기 - 소행성, 혜성, 유성, 운석 -
태양계부스러기 : 소행성, 혜성, 유성, 운석 발견 관측 분류 나이와성분 운석 유성 유성우 태양계화석 태양계부스러기 형성 성분과구조 통계구분과종류 소행성 혜성 꼬리와궤도운동분류 / 기원 명명 혜성충돌과생명기원 탐사선 탐사선
약 46 년전, 원시태양의주위에서생긴가스와먼지의원반안에서미행성이탄생 미행성의충돌을반복하면서원시행성으로성장 행성의경우는성장과정에서고온에녹았기때문에내부가층모양으로나누어짐 소행성의경우는성장이도중에멈추거나일정한성장후에파괴되었기때문에태양계초기의물질상태를그대로보전하고있어 태양계의화석 이라고함 < 소행성및행성의성장시나리오 > 3
행성보다작고대기가없는암석형태의태양을공전하는천체 1801 년세레스 (Ceres) 발견이후 관측된소행성의개수 : 88,642,855 개 ( 혜성 :583,527 개 ) 궤도를지닌소행성 : 326,266 개 ( 미공인 :269,954 개 ) 4
Census of minor planets Inner/Mid Solar System Minor Planets Count Mid/Outer Solar System Minor Planets Count Atiras 17 Atens 696 Apollos 4176 Amors 3420 Hungarias 11004 Mars-Crossers 8312 Hildas 3755 Jupiter Trojans 5416 Centaurs/Scattered Disk 424 Plutinos 242 Classical Trans-Neptunian Objects 892 Main-Belt Asteroids 557341 Other Trans-Neptunian Objects 36 5
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허블우주망원경에포착된소행성의흔적산란스파이크모양의별 우리은하의별푸른색별들 350 만광년떨어진궁수자리왜소불규칙은하의별들 ( 사진 : NASA, ESA and Y,Momany) 7
발견된달 (month) A :1 월전기 / D :2 월후기 / V: 11 월전기단, I 는사용하지않고 H 에서 J 로건너뜀 처음에는그리스로마신화의여신이름, 일반여성의이름을사용 발견시기와순서에따라임시이름부여 발견된연도 2003VB 12 발견된달의보름의기간안에그소행성이발견된순서 A : 첫번째 /Z : 25 번째 /A 1 : 26 번째 B 12 : 302 번째 궤도가확정된소행성 : 고유번호부여, 발견자가원할경우새로운이름을부여 발견되는소행성수가급격히늘어나임시이름을유지 8
한국인이발견 일본인이발견 비고 23880 통일 4963 관륵일본에불교전파 34666 보현산 4976 조경철 63145 최무선 6210 현섭전외교관 63156 이천 7365 세종 72021 이순지 8895 나나일성 72059 허준 9871 전전상운 94400 홍대용 12252 광주광주광역시 95016 김정호 99503 이원철 106817 유방택 9
탄소가많은 C-형소행성 - 전체소행성의약 75% - 반사도 : 3~4 % ( 석탄덩어리수준 ) 규소, 유기탄소화합물이혼합된원시소행성으로판명 - 주로태양에서약 3AU이상떨어진궤도를돌지만, 거의소행성대전역 (2~4AU) 에걸쳐서관측 - 스펙트럼은다른타입의소행성보다도푸른색을많이띰 - 대표친구들 : 세레스, 마틸드, 팔라스 10
지름 : 952km / 소행성대전체질량의 32% 현재는왜소행성으로분류 구형태의모양 표면 : 얼음이섞인혼합물과수화물로구성 내부 : 암석질의핵, 얼음맨틀 11
니어슈메이커우주선이에로스로가는길에방문 (1997.6.27.) 여러개의큰화구 : 운석충돌의증거 지름 50km가넘는비교적큰소행성이며밀도 : 1.3g/ cm3 석탄보다도검고색이나밝기차이가없다 내부가매우균질 12
석질성분이많은 S- 형소행성 - 전체소행성의약 17% - 주성분 : 규산철과규산마그네슘등석질 (stony) - 화학조성 : 니켈과철등의금속물이혼합 - 반사도 : 0.10 ~ 0.22 로비교적밝은외관 - 위치 : 주로소행성대중앙보다안쪽궤도 (2~ 3.5 AU) - 대표소행성 : 가스프라 (Gaspra), 아이다 (Ida), 에로스 (Eros) 등 13
암석으로된소행성, 표면은가는모래로덮여있음 고온이되어녹은큰천체에서분리된조각으로추측됨 크기 : 59.8x25.4x18.6 km 위성닥틸 : 소행성의위성으로는처음발견 - 변형된공모양, 크기 1.6x1.4x1.2 km 14
금속성분이많은 M-형소행성 - 철이나니켈에서나타나는스펙트럼이보임 - 항공기, 선박처럼레이다를통한관측이가능 - 약간붉은색을띄고소량의암석성분도포함 - 반사도 : 0.10 ~ 0.18 - 위치 : 내부소행성대 (2~3.5AU) - 대표소행성 : 프시케 (Psyche) 15
소행성대에서세레스, 팔라스에이어세번째로큰천체 ( 지름 : 516 km ) 소행성대전체질량의 9% ( 세레스다음으로무거운천체 ) 10 억년전충돌로질량의 1% 손실, 남반구에큰분화구생김 - 지구로떨어진충돌잔해 : HED 운석 (Kelley, M. S., et al. (2003). Quantified mineralogical evidence for a common origin of 1929 Kollaa with 4 Vesta and the HED meteorites.) 대표적인 V 형소행성 : S 형에비해휘석에의한강한흡수선 형성될때고온에서암석이녹아중심부에철등의무거운금속으로이루어진핵이형성된것으로보임 16
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내부에분화작용이일어나는크기가큰소행성은중심부에금속핵을지닐수있다 충돌에의해큰소행성이쪼개지면핵부분의조각은금속으로이루어진소행성이된다 20
태양계생성초기원시가스구름의응축과정으로설명 태양에가까운소행성대의안쪽부분은상대적으로온도가높아규소와같은화합물이모이고, 물과같은휘발성이높은물질은제거된다. 태양에서멀어질수록상대적으로온도가낮아휘발성물질이더많이포함되게된다. 실제로 C- 형소행성들은소행성대중간에위치하며대부분물을함유하는것으로보인다 21
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갈릴레오우주선 : 1991 년가스프라 / 1993 년아이다통과 니어슈메이커 : 1996.2. 17. 발사 - 마틸다 1200km 까지접근 / 2001.2.12 에로스착륙 하야부사 : 2003.5.9 발사 / 2005 년이토가와에착륙 - 세계최초 : 달이외의천체의물질을가져옴 - 가정멀리여행하고돌아온탐사선 - 2010.6.13 귀환, 호주에캡슐을남기고사라짐 23
- 2011 년베스타도착 / 2015 년세레스도착예정 24
혜성의생성과정은소행성과비슷하다. 행성으로성장하지못한입자들이혜성이되는데, 새롭게탄생한행성의중력에의해태양계가장자리로퉁겨지게된다. 25
혜성의생성 : 원시태양계의주위를떠다니는먼지, 얼음, 파편등의입자가모여생성 지저분한눈덩이 : 50% 이상의얼음 ( 물, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 암모니아등 ) 과먼지로구성 탐사선의분석결과탄소, 수소, 무기물등도포함하고있음을발견 알베도 : 2~4% ( 태양계의천체중가장검다 ) 혜성의구조 : 얼음이느슨하게모여있고가스로채워진많은빈공간으로구성되어있기때문에보통얼음의 ¼ 수준의밀도로부서지기쉬운구조 혜성의내부 : 밀도가큰핵 / 혜성의외부 : 먼지가섞인얼음층 태양에가까워지면혜성의표면에서가스가분출하고가스는핵의주위에 코마 라는엷은대기를형성 가스의일부와먼지는태양풍에의해꼬리를형성 26 < 혜성의핵 / 혜성의구조 >
혜성의꼬리 : 먼지꼬리와이온꼬리 ( 이온및전자 ) 먼지꼬리 : 태양열을받아타버린규산염먼지. 꼬리는혜성진행방향의반대방향으로생성 이온꼬리 : 분자와전자의이온화로생성. 가스꼬리라고도부르며, 약 50 km /s 의큰속도로태양반대쪽으로이온분자들이밀려나가면서꼬리를형성. 이온꼬리는태양풍에영향을받아태양에근접할수록점점더길어지며, 먼지꼬리와같이혜성진행방향의반대방향즉, 태양의반대방향으로생긴다. 혜성의궤도는대부분행성과같은타원궤도이나, 타원이무한히길어서포물선이나쌍곡선의형태를가지기도한다. 또한짧은타원궤도를가지고도는혜성이있는데이것은토성이나목성의중력에이끌려궤도가작아지기때문이다. 27 < 혜성의꼬리와궤도운동 >
혜성의분류 : 이심률과궤도주기 1) 단주기혜성 - 이심률 : 0.1 ~0.9 - 공전주기가 200년미만인혜성 - 보통다른행성들처럼황도면과비슷한방향의궤도. 전형적으로원일점이목성바깥쪽에위치한다. - 대표적인사례 : 핼리혜성 2) 장주기혜성 - 이심률 : 거의 1에근접 - 공전주기가 200년 ~ 수천년 ( 또는수백만년 ) - 이들의궤도는그원일점이외행성바깥쪽먼곳에있으며, 궤도는황도면에가까우나어떤기울기의궤도도가질수있다. - 대표적인사례 : 헤일-밥혜성태양계를수직으로가로질렀다. 3) 비주기혜성 : 장주기혜성과유사, 쌍곡선또는포물선의궤도를그리며, 태양곁을지나간후에는태 28 양계를떠나돌아오지않는혜성
수성과금성의궤도중간지점인태양에서 8,700 만km까지접근 태양에근접하면태양열로인해약 1 억 t 의물질이손실 75~76 년을주기로 17 만 5,000 년동안 2,300 번태양을지나갔으며원래 32 km에이르던반지름이절반으로줄어들어앞으로 17 만 7,000 년동안 2,500 차례나더태양을방문할것으로예상 사상처음으로궤도가정확히계산된혜성 29
1867 년프랑스인템펠에의해발견 화성과목성사이를지나며약 5.5 년의주기 1881 년에는목성근처에가까이접근하여한동안관측이어려웠으나, 1967 년다시관측. 2005 년태양과가장가까운지점을지날때미항공우주국 (NASA) 은딥임팩트탐사선에서분리된충돌체를이혜성에충돌시켜크레이터의생성원리, 혜성내부와외부의구성물질등을알아내기위한우주실험을했다. < 템펠 1 혜성 > 30 < 혜성을덮은먼지 / 이산화탄소의분출 / 얼음의분포 / 수증기의분출 ( 왼쪽부터 ) 딥임팩트프로젝트의근적외선분석에
1995 년발견할당시밝기가 10.5 등급이었지만, 태양에서가장가까운거리를통과한 1997 년에는 1 등급이상으로밝아짐. 핼리혜성보다 100 배이상밝았으며, 핵의지름크기는 40 km 허블우주망원경관측시, 매초약 9t 에달하는물을방출하고있었는데태양을지나갈무렵에는초당 1,000t 의먼지와 130t 의물을방출 헤일 - 밥혜성의궤도를분석한결과, 태양계바깥의오르트구름에서왔다는것을알게됨 31
카이퍼벨트 (Kuiper belt) 단주기혜성의고향 30AU ~ 100AU 에있는원반모양 적어도 1000 만개의동면중인얼음혜성핵들로구성된도넛모양의저장소 공전주기가 200 년이하인단주기혜성의기원으로생각되며, 일부천문학자들은오르트구름의내부구조의일부로생각. 카이퍼벨트는쉽게태양과의거리로구분하지만정확히는궤도요소의궤도장반경과근일점거리로정의됨. 1 고전적카이퍼벨트 : 궤도장반경이해왕성 ( 약 30AU) 보다크고, 공전주기가해왕성의약 2 배 ( 약 48~50AU) 이하인천체들의영역을말한다. 이곳의천체들은해왕성의중력의영향을강하게받으며, 이부분만을카이퍼벨트라고부르는경우도있다 공명카이퍼벨트 : 고전적카이퍼벨트중특히공전주기가해왕성과정비례하여공명관계를가짐 2 산란원반 (Scattered Disk) : 궤도장반경이약 48~400AU 정도인영역으로, 근일점거리는약 40AU 이하이며, 근일점에서는해왕성의중력의영향을받는다 32
오르트구름 장주기혜성의고향 수조개의불활성혜성의핵들이모여있는태양주위의광대한저장소이며태양계를껍질처럼둘러싸고있다고생각되는가상적인천체집단 1950 년네덜란드천문학자얀오르트 (Jan Hendrik Oort) 가고안 태양으로부터 1 만 ~ 10 만 AU 거리에위치 오르트구름의기원은태양계의형성과진화의과정에서현재의목성궤도부근부터해왕성궤도부근까지존재하고있던작은천체들이거대행성의중력과태양계를지나가던주변항성이나가스구름에의해궤도요소가바뀌어지금의형태로바뀌었다는설이유력 비주기혜성도여기에속해있다고추정 33 < 카이퍼벨트와오르트구름 >
카이퍼벨트의혜성들은해왕성바로바깥에서형성되어공전한다. 더먼거리에있는오르트성운의혜성들은한때목성형행성들사이에서공전하던혜성들이다. 오르트성운의혜성들이현재는훨씬더태양으로부터떨어져있긴하지만, 카이퍼벨트의혜성들이오르트성운의혜성보다태양에서더먼곳에서생겨났다 카이퍼벨트는태양계의외곽에서잔재미소행성체로만들어져여전히그곳에남아있지만, 오르트성운의혜성들은목성형행성들의사이에있던잔재미소행성체가튕겨나가형성된것이다. 34
명왕성 (Pluto) - 1930 년발견이래 75 년동안 9 번째행성으로여겨짐 - 248 년의궤도주기, 다른 8 개행성들보다더타원형, - 황도에비해더기울어짐 - 해왕성보다더가까울때가있다 카이퍼벨트내에서커다란혜성들이발견되면서명왕성의행성으로서의존재가위협받음 35 이근처에서얼음성분의미소행성체들이존재
Eris - 2005 년 Brown 이발견 - 반경은명왕성과비슷, 질량의명왕성보다 27% 더크다 - 다솜니아라는위성보유 - 명왕성의경우 (1) 과 (2) 의조건만만족 - 왜행성으로정의됨 (2006 IAU 총회 ) - 행성정의 : (1) 한항성주위를돌고있다, (2) 자신의중력이충분히커서구형을이룬다, (3) 자신의궤도경로가대부분의다른천체들과확실하게구분된다. 36
2013 년까지카이퍼벨트에서발견된소행성들 명왕성과 5 개의위성들 (HST 관측 ) 37
은하계안의모든별들은서로다른궤도로공전 태양계역시 2 억 5 천만년을주기로은하를공전 은하계안의모든별들도서로다른궤도로일주하는가운데태양계가어떤별이가까워지는경우가생기는데이때혜성과충돌하게된다. 그럼, 혜성과의충돌은우리에게어떠한영향을미치게될까? 38
1994 년 7 월 16 일, 목성의중력에의해총 21 개조각으로나뉘어진슈메이커 - 레비혜성이 60 km /s 의속도로목성과충돌 폭발위력 : 수소폭탄 100,000 개가동시에폭발 충돌크기 : 직경 1 ~ 2 km정도 만약이들가운데하나가지구에떨어져졌다면? 생명체의 70% 이상이소멸되었을것! 그렇다면혜성의충돌은지구에무서운영향만을끼치는존재일까? 39
< 목성과슈메이커 - 레비혜성과의충돌로생긴흔적 > 40
달표면의크레이터에서아폴로 11 호가채취한모래를분석 달과작은천체들이충돌했을때발생한먼지들로뭉쳐진유리구슬을발견 유리구슬이생겨난연대를분석 : 달에서의혜성충돌은시간의흐름에따라점점줄어들다가지난 4 억년간급격하게충돌이늘어난것을발견 41
4 억년간의잦은혜성충돌에도불구하고현재의지구는수많은종의생명들로넘쳐나고있는데, 달의혜성충돌그래프위에현재지구의생물이어떻게종을늘려왔는지를보여주는그래프를겹쳐놓았더니두개의그래프가놀라울정도로일치 42
원시태양계시절혜성에저장되어있던복합유기체분자들이지구와충돌하는과정에서지구에전달, 지구생명의탄생에기여 혜성의분자들이지구와충돌할때살아남았다는것은믿기어려우나탄소, 질소, 산소등신체의모든요소는별안에서형성되었고나중에별에서나와성간, 성운에모여있다가혜성에들어가게된것이라고추측 그물질들이다시혜성에서행성으로전달되어생명이되었으니, 우리는혜성의일부이자우주의일부 43
국제혜성탐사선 (international Cometary Explorer) - 자코비니지너혜성, 혤리혜성관측 딥스페이스 1 호 (2001 년 ) - 보렐리혜성의핵촬영 (2200km 접근 ) 스타더스트호 (2004 년 1 월 2 일 ) - Wild2 혜성촬영 (250km 까지접근 ) 후혜성의먼지를지구로가져옴 수이세이 (Suisei), 사키가케 (Sakigake) 지오토 (Giotto) 로제타호 2004 년 7 월발사 / 2014 년 67P 혜성에필레탐사로봇착륙 뉴호라이즌 2006.1 발사 / 2015 년명왕성과카론 /2020 년다른카이퍼벨트천체에접근 44
1985.7.2. 발사 (ESA) 1986.3.14. 핼리혜성에접근 1992.7.10. 그리그-스켈리럽혜성접근 1992.7.23. 임무종료 - 에폭시 / NASA, 2005 년발사 - 딥임팩트프로젝트로하틀리 2 혜성을초근접하여관측 45
세계최초의혜성착륙우주선 (ESA) 2004.2.27. 발사 태양력추진우주선 지구궤도 2 바퀴선회후화성주변을 1 회선회후추진력얻음 시속 135,000km 로 70 억 km 를날아가 2014 년목성부근추류모프 - 게라시멘코 (Churyumov-Gerasimenko) 혜성에착륙 혜성표면에파일리 (Philae) 착륙선 혜성표면의암석과화학물질등태양계진화과정을밝혀줄자료수집 46
플리커로제타페이지 : https://www.flickr.com/photos/europeanspaceagency/sets/72157638315605535/
2014 년 11 월 혜성 67P/CG 모습
혜성주기 ( 년 ) 발견연도특징 핼리혜성 76 1531 처음으로주기계산 휴메이슨혜성 2,940 1961 우리생애다시는볼수없어요. ㅜ. ㅜ 베넷혜성 1,679 1969 얘두요 ㅜ. ㅜ 웨스트혜성 560,000 1975 근일점통과후 4 조각으로분리 하쿠다케혜성 18,000 1996 지구근접 1500 만 km 통과 헤일 - 밥혜성 2,500 1995 약 18 개월간육안관측이가능 자코비니-지너혜성 7 1900 사분의자리, 용자리감마유성의모혜 성 엥케혜성 3.5 1786 최초로발견된단주기혜성 홈즈혜성 7 1892 2007.10월수시간만에 17등급서 2.8등급으로급격히밝아짐 터틀혜성 13 1858 2008 년접근 이대암 -SWAN 혜성 11,453 20090326 한국인이발견한최초의혜성 49
45 억년전에태양계가생성되던과정에서생겨난찌거기를시료로채취하여조사한다 유성체또는운석 우주의티끌물질
유성의관측 행성간공간에서지구대기로입사되는고체에의해생기는현상 수 km/s 의빠른속도로지구대기와마찰을일으켜서지상 80-130km 고도에서증발 별똥별 시간당 5-6 개의유성을볼수있다 밝게보이는유성의크기는 1g 도안된다 화구 (fireball) 골프공크기의유성이지구에입사할때 하루에지구에들어오는유성의질량은약 100 톤가량
유성우 지상에떨어지는유성은특정한혜성과연관이있다 혜성이남기고간찌거기들주위를지구가지나갈때유성우가생김 티끌입자들은지구에끌려들어오기이전에공간상에서모두동일한방향으로운동 발사점이라부르는한점에서퍼져나오는것처럼관측 발사점이위치한별자리의이름을따서유성우의이름이결정 유성우를만드는티끌들이궤도전역에균일하게분포되어있지않기때문에지구가통과하는지역에따라유성을볼수있는빈도가매년달라짐 52
약 10 억톤 유성체의유성체가남아서지표에떨어지거나실험실에서분석되지는않았다 유성우궤적의분석 비중이 1g/cm^3 도안되는가볍고엉성한구조 지구대기에서매우쉽게깨져버린다 많은유성이쏟아져도지표에도달하지못함 53
외계로부터지구대기에유입되어연소되고남은행성간물질의조각 운석의외계기원 19 세기되어서야외계기원설이대두됨 18 세기에특이한조성이나구조를지닌이상한돌들이지구에서생긴것이아니라는제안을하기시작 무리지어떨어질때가있다 대부분한개의덩어리가격렬한마찰을일으키며지구에돌입하는과정에서쪼개져서다양한크기의많은운석으로갈라졌다 유성우현상과는관련이없다 54
유성의회수와운석의발견 두가지방법으로운석이발견된다 회수운석 지구대기를통과하여매우낮은고도까지들어온 밝은유성의위치에서회수된운석 발견운석 우연히발견된돌을분석해서 하늘에서떨어진것임을확인한운석 남극대륙을제외한지역에서 진짜운석으로판명되는것은한해에 25 개정도 1980 년대이후남극대륙이 운석의발견지로새롭게대두되었다 1 만개이상의운석이남극빙하에서발견 55
운석의분류 알렌데탄질운석 철질운석 대부분이순수한니켈과철로구성 지구에서는순수한철이발견되지않음 석질운석 규산염암석 매우흔하지만구별해내기어렵다 쉽게풍화작용을받아버리기에 석 - 철질운석 암석과금속성분의혼합 매우높은금속함량은외계에서온것을알수있다
운석의나이와구성성분 운석은실험실에서직접분석할수있는가장원시적이고오래된물질을함유하고있다 방사능동위원소측정으로나이추정가능 대부분의운석이 44.8 45.6 억년의나이 나이가많은운석의평균연령은 45 억 4 천만년 ( 오차는 1 억년 ) 태양계의나이로간주되고있다 ( 최초로고체입자가생성되어더큰물체로뭉치기시작된시기 ) 원시운석인지분화된운석인지구분하는것이중요
분화된운석 운석의모천체가쪼개지기이전에녹아서무거운원소가중심으로가라앉는 분화과정을거친모천체의조각 밀도에따라순차적으로배열되어재조합하는과정을거친운석 모천체의중심부에서갈라져나온철질운석과 모천체의철질핵과맨들을의경계에서나온석 - 철질운석이있다 원시운석 생성후고압이나고열하에서변화를겪은적이없는운석 지구에돌입할대마찰에의해타게괴는데그시간이아주짧아서 운석의내부가가열되기전에지면에도달하였다
원시운석의모천체는? 운석의스펙트럼분석결과소행성과유사한물질로구성 대부분이약간의금속입자를포함하고있는밝은회색의규산염 탄질운석 탄소성분을함유한매우복잡한유기화합물을포함한어두운운석 물을함유하기도하고적은양의철을보유하기도한다 소행성대의바깥쪽에주로모여있는어두운색의탄질소행성에서온것
알렌데와머처슨의원시운석 1969 년멕시코에떨어진알렌데운석과호주의머처슨운석 머처슨운석 다양한유기물을함유 16 종의아미노산중지구에서발견되지않는것이 11 가지 오른손대칭및왼손대칭분자가동일한비율로존재 지구에서는왼손대칭분자만으로만단백질을형성 운석에포함된유기물의기원이지구바깥에있다 태양계가생성될당시매우흥미로운화학반응이진행되었음을시사 지구생명체를구성하는구성분자의일부는 운석이나혜성에의해운반되었을것!
초기뜨거웠던지구의표면이서서히식은후에 소행성과혜성의파편들이지구에쏟아지면서유기물을공급했을것! 알렌데운석 화학적변화의기록을보존하고있는입자들이많다 알렌데운석의 10% 가넘는물질은그나이가태양계나이보다많다 태양계생성이전세대의별에서방출되어 태양계생성시까지살아남은일부성간티끌입자일것
소행성과혜성에대하여... http://astro.kasi.re.kr/