엔셀라두스

3. 탐사

보이저 1호와 보이저 2호는 1980년대에 엔셀라두스에 접근하여 표면 사진을 촬영했다. 카시니 탐사선은 2005년부터 여러 번 엔셀라두스를 접근 통과하면서 표면을 탐사하여 남극에서 물이 뿜어져 나오는 현상과 간헐천을 발견했다.

엔셀라두스는 목성의 이오, 해왕성의 트리톤에 이어 내부 물질 분출이 관측된 세 번째 위성이며, 지하에 바다가 존재할 가능성이 확인되어 우주생물학 연구에 중요한 천체가 되었다.^[295]

카시니호의 발견은 이후 여러 탐사 계획에 영향을 주었다. 주요 탐사 계획은 다음과 같다.

3. 1. 보이저 계획

3. 2. 카시니-하위헌스

3. 3. 향후 탐사 계획

4. 궤도와 자전

엔셀라두스는 토성의 위성 중 하나로, 안쪽 궤도를 돌고 있으며 거리순으로 14번째 위성이다. 궤도는 토성의 E 고리에 위치한다. 미마스와 테티스 궤도 사이에 있으며, 토성 중심에서 238000km, 대기 상층부에서 180000km 떨어져 있다. 32.9h마다 토성을 공전하며, 디오네와 2:1 궤도 공명을 한다. 이 궤도 공명은 엔셀라두스의 궤도 이심률을 발생시키는 외부 요인 중 하나이며, 조석력을 발생시켜 내부 열을 발생시킨다. 이는 엔셀라두스가 지질학적으로 활동 중이라는 증거이다.^[297]

대부분의 가스 행성 위성들처럼 엔셀라두스는 토성에 조석 고정되어, 공전 주기와 자전 주기가 같아 항상 한쪽 면만 토성을 향한다. 달과 달리 자전축 기울기 때문에 칭동은 나타나지 않는다.

엔셀라두스에서 분출되는 물질은 토성의 고리 중 가장 넓고 바깥쪽인 E 고리의 주된 공급원이다. E 고리는 먼지와 미세한 얼음 입자로 구성되어 있으며, 미마스와 테티스 궤도 사이에 있는데, 이는 엔셀라두스의 궤도와 일치한다.

수학적 계산에 따르면 토성의 E 고리는 불안정하여 1만 년에서 1백만 년 안에 사라질 것으로 예상된다. 따라서 E 고리가 존재하려면 입자들이 지속적으로 공급되어야 한다. 엔셀라두스는 E 고리 내부의 밀도가 높은 부분에 위치하며, 1980년대부터의 관측과 2005년 카시니 탐사선의 접근을 통해 E 고리의 물질 공급원으로 확인되었다.^[298]

5. 물리적 특성

엔셀라두스는 상대적으로 작은 위성이며, 암석과 얼음이 주성분이다.^[299] 카시니 탐사선에 의하면 엔셀라두스는 구형이 아닌 타원체로, 지름은 500 km 내외이다. 이는 지구의 위성인 달의 7분의 1밖에 되지 않는 수치이다. 토성의 위성 중에서 6번째로 크기와 질량이 크다.^[300]

2005년 3월경, NASA/ESA의 무인 토성 탐사선 카시니가 엔셀라두스에서 매우 미량의 대기를 발견했다. 대기 성분은 수증기로 추정된다. 화산이나 간헐천 등의 안정적인 대기 공급원이 있는 것으로 보이지만, 엔셀라두스는 중력이 작아 대기는 곧 우주로 사라진다. 엔셀라두스에서 분출되는 물질은 혜성의 구성과 유사하며,^[249] E 고리의 근원이 되고 있다.

초기 보이저 계획 임무를 통해 얻은 질량 추정치는 엔셀라두스가 거의 전적으로 물 얼음으로 구성되어 있다는 것을 시사했다.^[164] 그러나 카시니호가 엔셀라두스의 중력 영향을 관측한 결과, 질량은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 크고 밀도는 1.61 g/cm³로 나타났다.^[204] 이는 토성의 다른 중간 크기 얼음 위성보다 높아, 엔셀라두스가 더 높은 비율의 규산염과 철을 포함하고 있음을 나타낸다.

엔셀라두스의 비교적 높은 암석-질량 비율을 고려할 때, ²⁶Al과 ⁶⁰Fe의 증가는 얼음 맨틀과 암석핵을 가진 분화된 천체를 만들었을 것이다.^[80][82] 그 후 방사성 가열과 조석 가열은 핵의 온도를 1,000K까지 높여 내부 맨틀을 녹이기에 충분했다. 엔셀라두스가 여전히 활동적이려면 핵의 일부도 녹아서 마그마 방을 형성했을 것이고, 이는 토성의 조석력에 의해 휘어졌을 것이다.

5. 1. 크기와 모양

5. 2. 대기

5. 3. 내부 구조

5. 3. 1. 지하 바다

5. 3. 2. 구성 성분

5. 3. 3. 열원

6. 지질

엔셀라두스는 토성의 안쪽 궤도를 돌고 있으며, 미마스와 테티스 사이에 위치한다. 토성 중심에서 238000km, 대기 상층부에서 180000km 떨어져 있으며, 32.9시간마다 토성을 공전한다. 디오네와 2:1 궤도 공명을 이루는데, 이로 인해 궤도 이심률이 발생하고 내부에서 열이 발생하여 지질학적으로 활발한 상태를 유지하는 주요 원인이 된다.^[297]

대부분의 가스 행성 위성처럼 엔셀라두스는 토성에 조석 고정되어 공전 주기와 자전 주기가 같다. 달과 달리 자전축 기울기 때문에 칭동은 나타나지 않는다. 엔셀라두스에서 분출되는 물질은 토성의 고리 중 가장 넓고 바깥쪽에 있는 E 고리의 주 공급원이다. E 고리는 미마스와 테티스 궤도 사이에 위치하며, 먼지와 미세한 얼음 입자로 구성되어 있다.

수학적 계산에 따르면 E 고리는 1만~100만 년 내에 사라지므로, 지속적인 입자 공급이 필요하다. 엔셀라두스는 E 고리 내부의 밀도가 높은 부분에 위치하며, 1980년대부터 엔셀라두스가 E 고리의 물질 공급원이라는 추측이 있었다.^[298] 2005년 카시니 탐사선의 접근으로 이 가설은 더욱 신뢰를 얻었다.

2005년 NASA/ESA의 무인 토성 탐사선 카시니는 엔셀라두스에 매우 미량의 수증기 대기가 있다는 것을 발견했다. 화산이나 간헐천과 같은 대기의 안정적인 공급원이 있는 것으로 보인다. 엔셀라두스에서 분출되는 물질은 혜성과 구성이 유사하며,^[249] E 고리의 근원이 되고 있다. 카시니 탐사선은 엔셀라두스 남극 부근 표면에서 활발한 지질 활동을 보여주는 균열을 발견했으며, 이를 "타이거 스트라이프스(Tiger Stripes)"라고 명명했다.

엔셀라두스는 지름이 평균 500km 정도이지만, 열원을 가지고 있으며 토성 위성 중 여섯 번째로 크다.^[214] 반사율이 매우 높아 태양계에서 가장 밝은 천체로 여겨진다.^[215]

6. 1. 표면 특징

6. 1. 1. 충돌구

6. 1. 2. 지질 구조

6. 1. 3. 매끄러운 평원

6. 1. 4. 남극 간헐천

7. 생명체 존재 가능성

엔셀라두스는 생명체 존재에 필수적인 유기물, 열원, 액체 상태의 물 세 가지 요소를 모두 갖추고 있어 외계 생명체의 유력한 후보지로 여겨진다.^[218]

2005년 NASA/ESA의 무인 토성 탐사선 카시니는 엔셀라두스에서 매우 미량의 대기를 발견했다. 대기의 성분은 수증기로 추정되며, 화산이나 간헐천 등의 대기 공급원이 있는 것으로 보인다. 하지만 엔셀라두스는 중력이 작아 대기는 곧 우주로 사라진다. 목성의 위성 이오나 해왕성의 위성 트리톤에도 화산 분출물에 의한 미량의 대기가 관측되고 있다.

2008년 3월, 카시니호는 남극 지역의 핫스팟에서 온도가 영하 93도이며 유기물이 존재함을 확인했다.^[219] 2009년 6월 관측에서는 엔셀라두스의 수증기에서 염화나트륨과 탄산염을 검출했다.^[220]

2014년 4월, 엔셀라두스에 대규모 지하 바다가 존재한다는 증거가 보고되었다.^[221] 이는 엔셀라두스가 "태양계에서 미생물이 서식할 가능성이 가장 높은 장소" 중 하나임을 시사한다.^[222][223]

2015년 9월 16일, 7년 이상에 걸친 카시니의 관측 결과, 엔셀라두스 표면 얼음 아래에 행성 전체를 덮는 바다가 있다는 연구 결과가 NASA에 의해 발표되었다.^[230] 연구자들에 따르면, 토성을 공전하며 발생하는 아주 작은 진동(장동)이 관측되었고, 이는 얼음 지각 전체가 내부 암석 핵과 분리되어 있음을 시사한다. 따라서 얼음 아래에 액체 상태의 바다가 행성 전체에 펼쳐져 있다는 것으로만 설명할 수 있다.^[230]

도쿄대학과 일본 해양연구개발기구 등의 국제 연구팀은 카시니 탐사선이 검출한 미립자에 암석과 열수가 반응하여 생성되는 광물 미립자인 "나노실리카"가 포함되어 있음을 확인했다. 모의 실험 결과, 나노실리카가 생성되려면 섭씨 90도 이상의 열수 환경이 필요하며, 현재도 활동이 계속되고 있을 가능성이 높다는 사실이 밝혀졌다. 지구의 심해저 열수 활동은 생명 탄생의 장소 중 하나로 여겨지며, 연구팀은 이를 "외계 생명체 발견을 향한 진전"으로 보고 있다.^[225]

베를린 자유 대학교를 중심으로 한 연구팀은 카시니 탐사선이 관측한 미립자 성분에서 지구 해수의 수천 배에서 수만 배에 달하는 고농도의 인산(DNA 구성 요소)이 포함되어 있음을 발견했다.^[226][227] 지구 밖에서 액체 상태의 물에 고농도의 인산이 확인된 것은 이것이 처음이다. 도쿄 공업대학의 세키네 야스토 등은 엔셀라두스 해저를 모방한 환경에서 실험을 실시하여, 인산 농축은 알칼리성이고 탄산 농도가 높은 환경에서 일어나는 것을 알아냈다. 과거 지구에도 같은 환경이 있었던 것으로 추정된다.^[227][228]

2023년 6월, 천문학자들은 엔셀라두스에서 인산염이 검출되었다는 사실을 보고했는데, 이는 이 위성에서 생명체를 위한 모든 기본적인 화학 성분 발견을 완성한 것이다.^{[151] [153]}

2023년 12월 14일, 천문학자들은 엔셀라두스의 플룸에서 시안화수소를 발견했다고 보고했다. 다른 유기 분자들도 발견되었는데, 그중 일부는 아직 더 밝혀져야 한다. 연구원들에 따르면 "이러한 [새롭게 발견된] 화합물들은 현재 존재하는 미생물 군집을 지탱하거나 복잡한 유기 합성을 유도하여 생명의 기원으로 이어질 수 있다."^{[154] [155]}

전 지구적 해양 순환 패턴에 의해 지탱되는 수중 환경을 가진 내부 전 지구적 염수 바다^[142], 에너지원, 그리고 엔셀라두스의 암석 핵과 접촉하는 복잡한 유기 화합물^[24]의 존재는 우주생물학 연구와 미생물 외계 생명체를 위한 잠재적으로 거주 가능한 환경 연구를 발전시킬 수 있다.^{[88] [89] [145] [87] [90] [91] [146] [147] [148]} 아직 발견되지 않은 인에 대한 지구화학적 모델링 결과는 이 위성이 잠재적인 생성 기원 요건을 충족함을 나타낸다.^{[149] [150]} 하지만 카시니호가 탐지한 냉화산 기둥에서 인산염이 검출되었으며, 2023년 6월 14일자 네이처지에 "엔셀라두스 바다에서 기원한 인산염 검출"이라는 제목의 논문에서 논의되었다.^[151]

다양한 유기 화합물과 암모니아의 존재는 그 기원이 지구에서 일어나는 것으로 알려져 있으며 생명체를 지탱하는 것으로 알려진 물/암석 반응과 유사할 수 있음을 나타낸다.^[152] 따라서 엔셀라두스를 더 탐사하고 거주 가능성을 평가하기 위해 여러 로봇 임무가 제안되었다. 제안된 임무 중 일부는 엔셀라두스와 타이탄으로의 여정(JET), 엔셀라두스 탐사선(En-Ex), 엔셀라두스 생명체 탐색기(ELF), 엔셀라두스 생명체 조사(LIFE), 그리고 엔셀라두스 생명체 신호와 거주 가능성(ELSAH)이다.

7. 1. 열수 활동

7. 2. 메탄 생성

7. 3. 시안화수소

8. 기원

미마스는 토성의 둥근 위성 중 가장 안쪽에 위치하며 엔셀라두스 바로 안쪽 궤도를 돌고 있지만, 엔셀라두스보다 더 강한 조석력을 받음에도 불구하고 지질학적으로 활동하지 않는다. 이러한 모순은 미마스-엔셀라두스 역설이라고 불린다.^[297]

이 역설은 물 얼음(미마스와 엔셀라두스 내부의 주요 구성 성분)의 온도 의존적 특성으로 부분적으로 설명될 수 있다. 고온(녹는점에 가까운)에서는 전단 계수(''μ'')와 감쇠 계수(''Q'')가 낮아 조석 가열이 높아진다. 모델링에 따르면 엔셀라두스의 경우, 내부 온도 기울기가 거의 없는 '기본적인' 저에너지 열 상태와 상당한 온도 기울기와 그에 따른 대류(내생적 지질 활동)를 가진 '흥분된' 고에너지 열 상태가 일단 형성되면 안정적으로 유지된다.^[131] 미마스는 토성에 더 가까이 있음에도 불구하고 저에너지 상태만 안정적으로 유지될 것으로 예상된다. 따라서 모델은 미마스의 경우 낮은 내부 온도 상태를 예측하지만, 엔셀라두스의 경우 더 높은 온도 상태가 가능하다고 예측한다.^[131] 엔셀라두스가 처음 고에너지 상태에 진입한 과정(예: 더 많은 방사성 가열 또는 과거 더 큰 이심률 궤도)을 설명하기 위해서는 추가적인 정보가 필요하다.^[132]

미마스보다 상당히 높은 엔셀라두스의 밀도(1.61 g/cm³ 대 1.15 g/cm³)는 암석 함량이 더 많고 초기 역사에서 방사성 가열이 더 많았음을 시사하며, 이는 미마스 역설을 해결하는 데 중요한 요소로 언급된다.^[133]

미마스 또는 엔셀라두스 크기의 얼음 위성이 조석 가열과 대류의 '흥분된 상태'에 진입하려면, 원시 내부 열을 너무 많이 잃기 전에 궤도 공명에 진입해야 한다. 미마스는 크기가 작기 때문에 엔셀라두스보다 더 빨리 식기 때문에, 궤도 공명에 의해 유도된 대류를 시작할 수 있는 기회는 상당히 짧았을 것이다.^[134]

엔셀라두스는 초당 200kg의 속도로 질량을 잃고 있다. 이러한 질량 손실이 45억 년 동안 계속된다면, 위성은 초기 질량의 약 30%를 잃었을 것이다. 엔셀라두스와 미마스의 초기 밀도가 같다고 가정하면 유사한 값을 얻는다.^[134] 이는 남극 지역의 지각 활동이 주로 질량 손실 과정에 의한 침강 및 관련된 섭입과 관련이 있음을 시사한다.^[135][284]

2016년, 토성의 위성 궤도가 조석 효과에 따라 어떻게 변화했어야 하는지에 대한 연구에 따르면, 타이탄보다 안쪽에 있는 토성의 모든 위성(토성 위성에 대한 조석 효과의 강도를 유도하는 데 사용된 엔셀라두스의 지질 활동 포함)은 불과 1억 년 전에 형성되었을 수 있다.^[136] 2019년의 후속 연구는 엔셀라두스의 바다가 약 10억 년 전에 생성되었을 것으로 추정했다.^[137]

8. 1. 미마스-엔셀라두스 역설

8. 2. 초기 질량 손실

8. 3. 형성 시기

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