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슈메이커-레비 9 혜성

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목차

1. 개요

슈메이커-레비 9 혜성은 1993년 발견된 혜성으로, 1994년 7월 목성과 충돌하여 태양계 천체 간의 충돌을 직접 관측할 수 있는 기회를 제공했다. 이 혜성은 목성 기조력에 의해 여러 조각으로 분열되었으며, 각 조각이 목성 대기와 충돌하면서 화구, 검은 반점, 파동 등을 발생시켰다. 충돌로 인해 목성 대기에서 새로운 화학 물질이 검출되었으며, 목성의 자기권과 오로라에도 영향을 미쳤다. 이 혜성의 충돌은 목성이 내태양계로 진입하는 천체의 수를 줄이는 '우주 청소기' 역할을 한다는 것을 보여주는 중요한 사례가 되었으며, 2009년에도 유사한 충돌 사건이 관측되었다.

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슈메이커-레비 9 혜성
기본 정보
슈메이커-레비 9 혜성의 21개 파편
허블 우주 망원경이 촬영한 슈메이커-레비 9 혜성의 21개 파편 (1994년 7월)
명칭D/1993 F2 (슈메이커-레비)
발견1993년 3월 24일
발견 장소팔로마 천문대
발견자캐롤린 슈메이커
유진 슈메이커
데이비드 H. 레비
궤도 요소
궤도 경사94.2°
물리적 특징
분열 전 추정 크기1.8 km
충돌 속도60 km/s (216,000 km/h)
기타 정보
사건목성과의 충돌

2. 발견

1993년 3월 24일 8시경(협정 세계시)에, 팔로마 천문대에서 관측 중이던 유진 슈메이커, 캐롤라인 슈메이커 부부와 데이비드 레비(en)는 처녀자리에서 특이한 형태의 혜성을 발견했다.[4] 이 혜성은 목성 주위를 도는 궤도를 가지고 있었으며, 혜성이 행성에 포획되는 현상이 실제로 관측된 최초의 사례였다. 혜성의 핵은 길이가 1분 정도의 막대 모양으로 보였으며, 막대 안에 몇 개의 점이 빛나고 있었다. 이는 1992년 7월 목성에 매우 근접하여 로슈 한계를 돌파, 조석력에 의해 핵이 최소 21개의 파편으로 부서졌기 때문이었다.

2. 1. 발견 이전의 관측

1993년 3월 24일, 슈메이커 부부와 데이비드 레비는 캘리포니아 팔로마 천문대에서 0.4m 슈미트 망원경으로 근지구 천체를 찾는 프로그램을 진행하던 중, 정말로 우연찮게 혜성을 촬영했다.[59]

슈메이커-레비 9 혜성은 슈메이커 부부와 레비가 발견한 9번째 주기 혜성이었고, 비주기 혜성까지 합하면 11번째 혜성이었다. 1993년 3월 27일 국제천문연맹 고시 제5725호에서 슈메이커-레비 9 혜성의 발견이 공인되었다.[60]

처음 찍힌 혜성 사진 한 장으로도 혜성이 평범한 혜성이 아님을 알 수 있었는데, 혜성이 길이 50 각초, 너비 10 각초 정도로 매우 퍼져 있었고, 혜성의 핵이 여러 개 존재했으며, 목성에서 겨우 4°밖에 떨어져 있지 않았기 때문이다. 이후 혜성의 움직임을 관찰한 결과, 혜성과 목성이 가까워 보이는 것은 단순히 바라보는 각도의 문제가 아니라 실제로 혜성이 목성과 가깝기 때문이라는 것이 밝혀졌다.[60] 이 결과를 바탕으로 슈메이커-레비 9 혜성의 핵이 여러 조각으로 나뉜 것은 목성의 기조력 때문이라는 이론이 제기되었다.

3. 목성을 도는 혜성

슈메이커-레비 9 혜성의 궤도를 분석한 결과, 이 혜성은 태양이 아닌 목성을 돌고 있다는 사실이 밝혀졌다. 이는 다른 혜성들과는 다른 특이한 점이었다. 혜성은 목성에 매우 "느슨하게" 붙잡혀 있었으며, 궤도 원점은 0.33 AU, 궤도 이심률은 0.9986이었다.[67][13] 혜성의 궤도는 약 2년 주기로 목성을 공전하는 형태였다.

혜성의 궤도를 역으로 계산한 결과, 혜성은 1960년대 후반에서 1970년대 초반 사이에 목성의 힐 권에 진입하면서 목성에 포획된 것으로 추정된다.[61][6] 1993년 3월 혜성 발견 이전에 촬영된 사진들(3월 15일 엔다테 긴[7], 3월 17일 오토모 사토루, 3월 19일 엘리너 헬린[62])에서도 혜성의 모습이 확인되었다. 혜성이 목성에 포획되기 전에는 원일점이 목성 근처, 근일점이 소행성대 내부에 있는 소행성과 비슷한 혜성이었을 것으로 추정된다.[63][9]

혜성이 목성의 힐 권에 진입할 당시, 혜성과 목성의 상대 속도가 낮아 혜성이 목성에 거의 수직으로 떨어지는 형태였을 것으로 보인다. 이는 혜성의 궤도 이심률이 매우 높았던 이유를 설명해준다.[64][10]

1992년 7월 7일, 혜성은 목성에서 불과 40000km 떨어진 지점을 통과했다. 이 거리는 목성의 위성 메티스 궤도 안쪽이자 목성의 로슈 한계 내부였다. 혜성은 기조력에 의해 여러 조각으로 분해되었고,[64][10] 각 조각들은 "조각 A"부터 "조각 W"까지 알파벳으로 명명되었다.[65][11]

4. 충돌 예측

혜성이 목성과 충돌할 것이라는 예측은 천문학계에 큰 반향을 일으켰다. 이는 태양계 천체 간의 충돌을 직접 관측할 수 있는 역사상 처음 있는 기회였기 때문이다. 과학자들은 혜성 충돌 시 목성 대기 하층부 물질이 분출되어 목성의 대기에 대한 새로운 정보를 얻을 수 있을 것으로 기대했다.[67][13]

혜성의 충돌에 대한 주요 논쟁거리 중 하나는 지구에서 관측 가능 여부였다.[68] 일각에서는 목성 구름 위로 거대한 화염구가 지나가 지구에서 보일 것이라는 낙관적인 예측을 내놓았다.[69] 다른 이론에서는 충돌로 인해 행성에 지진파가 퍼져나가고, 성층권이 부풀어 오르며, 고리가 커질 것이라고 예측했다.[67] 하지만, 이러한 충돌은 전례가 없었기 때문에, 천문학자들은 예측에 신중한 입장을 보였다.[67][13]

천문학자들은 혜성 파편의 크기를 수백 미터(약 300m)에서 최대 2km로 추정했다. 이는 혜성의 원래 핵이 최대 5km였을 가능성을 시사하며, 햐쿠타케 혜성보다 약간 큰 크기이다.[14]

5. 충돌

1994년 7월 16일부터 22일까지, 슈메이커-레비 9 혜성의 조각들이 순차적으로 목성에 충돌했다. 충돌은 지구에서 보이지 않는 목성의 뒷면에서 발생했지만, 갈릴레오 탐사선이 목성에서 1.6 AU 거리에서 직접 관측했고, 지구 망원경들은 충돌 후 몇 분 만에 충돌 흔적을 관측했다.[71]

첫 충돌 때 허블 우주 망원경이 촬영한 화구.


첫 번째 충돌은 1994년 7월 16일 20:13(UTC)에 발생했으며, 혜성 핵은 목성 남반구에 60 m/s로 낙하했다.[58] 갈릴레오 탐사선의 자료에 의하면, 첫 충돌 당시 화구의 온도는 24,000 K에 이르렀으며, 이후 40초 만에 1500 K까지 급속도로 냉각되었다. 충돌로 생긴 구름은 높이 3000 km에 육박했다.[73]

이후 6일에 걸쳐 21개 파편들이 차례대로 충돌했으며, 가장 큰 충돌은 7월 18일 7시 33분(UTC)에 조각 G가 낙하할 때였다. 이 충돌로 인해 생긴 점은 지름 12,000 km에 육박했고, 6백만 TNT 메가톤만큼의 에너지를 방출했다.[77] 이후 충돌은 7월 22일, 마지막 조각 W가 충돌할 때까지 계속되었다.[78]

충돌 흔적에는 목성 대기 하부에서 솟아오른 물질이 포함되어 있어 목성 대기 연구에 기여했으며, 충돌 흔적 중에는 지구와 같은 크기의 것도 있었다.

6. 관측 및 발견

슈메이커-레비 9 혜성의 충돌은 지구에서 볼 때 목성의 뒤편에서 일어났기 때문에 직접 관측할 수는 없었다. 하지만 충돌 시의 섬광이 목성의 위성에 반사된 것이나 솟아오르는 버섯 구름, 적외선에 의한 섬광 관측 등이 이루어졌다. 이 관측에는 지상의 거대 망원경과 허블 우주 망원경, 갈릴레오 탐사선 등의 인공위성이 동원되었다. 충돌 흔적은 소형 망원경으로도 관측할 수 있었기 때문에 각지에서 관측회가 열렸고, 촬영된 사진은 충돌 후 수 시간 이내에 당시 보급되던 인터넷상에서 공개되었다.[56]

6. 1. 화학적 연구

분광 관측 결과, 과학자들은 목성 대기에서 이황(S2)과 이황화 탄소(CS2)를 발견했다. S2가 발견된 천체는 목성 이전에 단 하나밖에 없었을 정도로 희귀한 발견이었다. 암모니아(NH3) 및 황화 수소(H2S)도 검출되었다. 목성에서 발견된 황의 양은 작은 혜성 핵에서 나올 수 있는 양보다 훨씬 많았는데, 이는 혜성뿐만 아니라 목성 자체에도 이러한 물질이 존재함을 의미한다. 놀랍게도 이산화 황 등 산소 관련 분자는 발견되지 않았다.[79][27]

이러한 분자들 외에도 철, 마그네슘, 규소 등 무거운 원자들도 검출되었으며, 이들은 혜성이 아닌 목성 내부에서 유래한 것으로 추정된다. 분광기를 통해 어느 정도의 물도 발견되었지만, 예측값만큼은 아니었다. 이는 구름 밑의 물 층이 예상보다 얇거나, 혜성 조각이 대기권 속으로 충분히 깊숙이 들어가지 못했음을 나타낸다.[90][38]

6. 2. 파동

기존에 예측되었듯, 혜성 충돌로 인해 속도 450 m/s의 파동이 목성 전체로 퍼져나갔고, 가장 큰 조각이 떨어질 때는 2시간 넘게 관찰되기도 했다. 이 파동은 도파관 역할을 하는 안정된 층에서 퍼져나간다고 추측되며, 몇몇 과학자들은 이 층이 대류권에 존재하는 이론상의 물 구름이라고 생각한다. 하지만 다른 자료에서는 혜성이 대류권 물 층까지 도달하지는 못한 것으로 나타나며, 파동은 성층권 내에서 퍼져나간 것으로 보인다.[80][28]

6. 3. 기타 관측

전파 관측 결과, 21 cm 대역에서 일반적인 흑체복사량의 120% 정도 되는 전파가 충돌 직후 방출되었으며, 이는 충돌로 인해 전자들이 방출되어 목성의 자기권 속으로 들어가 싱크로트론복사가 일어나서 방출된 것이라고 추측된다.[81]

조각 K가 목성과 충돌한 후 1시간이 지났을 무렵, 충돌 지역 근처와 그 대척점에서 오로라가 관측되었다. 이 오로라의 발생 원인은 충돌 지역의 지질 상태와 목성 자기권의 구조를 상세히 알지 못하기 때문에 정확히는 모르지만, 충돌로 인해 발생한 충격파가 입자들을 가속시켜 태양풍과 비슷하게 대기 입자들과 충돌하여 오로라를 발생시켰을 것이라고 추정된다.[82]

몇몇 과학자들은 충돌로 인해 이오 토러스에 영향이 갔을 것이라고 주장하였으나, 이후 고감도 분광기를 사용한 결과 충돌 직후 이오 토러스의 이온 밀도, 공전 속도, 온도의 변화량은 정상이었다.[83]

보이저 2호는 아무것도 관측하지 못했으며, 추후 계산 결과 화구가 보이저의 감지 범위 바로 직전까지밖에 올라가지 못했던 것으로 드러났다.[84] 율리시스에서도 아무것도 감지되지 않았다.[85]

7. 충돌 이후의 분석

여러 연구에서 조각나기 전 슈메이커-레비 9 혜성(모혜성)의 밀도와 크기를 계산했는데, 지름은 1.8km, 밀도는 약 0.5g/cm3으로 추정된다. 이보다 밀도가 낮으면 관측된 것처럼 많은 조각이 발견되지 않았을 것이다.[86][87][88]

충돌과 관련해 놀라운 점 중 하나는 물이 발견되지 않은 것이다.[89] 충돌 전 예측으로는 혜성 조각들이 대기압 30kPa~수십 mPa(0.3~몇백 bar) 지점에서 분해되어[90] 물 층을 뚫고 들어가 충돌 지역 부근이 파란색으로 덮일 것이라고 예상했다.[68]

그러나 이후 분석에 따르면 혜성은 예측 지점보다 훨씬 위쪽까지밖에 내려가지 못해 물 층에 도달하지도 못했다. 가장 큰 조각도 대기압 250kPa 지점까지만 도달했고, 작은 조각은 구름에도 미치지 못했다.[90]

붉고 비대칭적인 충돌 흔적.

7. 1. 장기적 변화

목성에 남은 충돌 흔적은 몇 달 동안 관측이 가능했으며, 대적반보다 보기 쉬울 정도로 뚜렷했다. 역사상 이 혜성 충돌처럼 목성에 큰 흔적을 남긴 적은 없었다.[91] 분광기로 관측한 결과 암모니아와 이황화 탄소가 충돌 14개월 후까지도 남아있음이 밝혀졌고, 특히 암모니아는 원래 대류권에 있어야 할 만큼의 암모니아가 성층권으로 올라온 상태였다.[92]

충돌 후 온도 변화는 생각 외로 규모가 큰 곳이 작은 곳보다 더 컸는데, 큰 지역은 1주일이 지나기 전에 원래 온도로 돌아간 반면, 작은 지역은 2주일이 넘게 뜨거운 상태로 유지되었다.[93] 목성 전체 성층권 온도는 충돌 직후 올라갔고, 2~3주가 지나자 충돌 전보다 오히려 내려갔으며, 이후 원래 온도로 되돌아갔다.[94]
목성에 남은 충돌 흔적

8. 충돌의 반복성

목성은 태양계에서 가장 큰 행성이기 때문에 천체를 포획하는 일이 자주 일어나지만, 슈메이커-레비 9 혜성 정도 크기의 천체는 흔하지 않다. 한 연구 결과에 따르면, 지름 0.3km 정도의 혜성은 약 500년에 한 번 목성에 충돌하지만, 지름 1.6km 정도만 되도 기간이 6,000년 이상으로 늘어난다.[97]

게렐스 3 혜성, 147P/쿠시다-무라마츠, 111P/헬린-로만-크로켓 등 여러 혜성들이 일시적으로 목성 주위를 공전한 사례가 있다.[95][96] 목성을 도는 혜성들은 궤도가 불안정하며, 궤도 이심률이 매우 커 궤도가 찌그러져 있고, 궤도 원점에서 태양이 궤도에 섭동을 가하기 때문이다.

과거에 혜성들이 목성 주변에서 갈라져 목성 및 목성의 위성들에 충돌했다는 증거가 남아있다. 보이저 탐사선이 목성을 탐사할 때, 칼리스토와 가니메데에서 사슬형 충돌구가 발견되었는데, 슈메이커-레비 9 혜성의 충돌 이후 과학자들은 이것이 쪼개진 혜성 조각들이 순차적으로 충돌해서 생긴 것이라고 추정한다.[98][99]

가니메데에 있는 사슬형 충돌구로, 슈메이커-레비 9 혜성의 충돌과 비슷한 충돌로 인해서 형성되었을 가능성이 높다. 사진 끝에서 끝까지는 약 이다.

8. 1. 2009년 목성 충돌사건

2009년 7월 19일, 슈메이커-레비 9 혜성 충돌 15주년에 목성 남반구에서 태평양 크기 정도의 새로운 검은 반점이 나타났다.[100][48] 열적외선 측정 결과 충돌 지점이 따뜻했고, 분광 분석 결과 목성 대기 상층부에서 다량의 뜨거운 암모니아와 실리카 성분 먼지가 검출되었다.[100][48] 과학자들은 이를 또 다른 충돌 사건으로 결론지었으며, 이번에는 혜성보다 더 작고 단단한, 발견되지 않은 작은 소행성이 충돌한 것으로 추정했다.[100][48]

9. 우주 청소기로서의 목성

슈메이커-레비 9 혜성의 충돌은 목성이 "우주 청소기" 역할을 하여 내태양계로 진입하는 천체 수를 줄여준다는 점을 부각시켰다. (목성 장벽) 목성이 없었다면 지구에 떨어지는 소행성 수는 현재보다 2000~8000배가량 많았을 것으로 추정된다.[101]

칙술루브 충돌구는 백악기-팔레오기 충돌사건으로 인해 발생한 백악기 말 공룡 대멸종의 원인으로 여겨지며,[102] 이는 소행성 충돌이 지구 생명체에 심각한 위협임을 보여준다. 천문학자들은 만약 목성이 없어서 충돌 빈도수가 지금보다 몇천 배 높았다면 생물은 단세포를 벗어나지 못했을 것이라고 추정한다.[103] 이는 희귀한 지구 가설에도 포함된 내용이다.

하지만, 태양계 내의 모든 천체들이 소행성에 어떤 영향을 주는지는 아직 불분명하며,[104][105] 2016년 시뮬레이션 결과, 목성이 소행성 충돌 빈도수를 오히려 늘리기도 한다는 사실이 밝혀졌다.[106]

10. 천체 관측에 대한 영향 (일본의 관점)

고대 천체 관측자들 사이에서 새로운 천체 발견, 특히 혜성 발견은 큰 목표 중 하나였으며, 1990년대 중반까지 아마추어 천문학자들이 발견에 크게 기여했다. 그러나 슈메이커-레비 9 혜성의 목성 충돌로 인해, 그 전까지는 가능성으로만 이야기되던 지구로의 천체 충돌이 현실적인 문제로 급부상하게 되었다. 이 문제에 대처하기 위해 학술 기관에 의한 적극적인 관측이 시작되었고, 자동 관측 기술의 향상, 인공위성을 통한 사진 분석 등과 맞물려 1990년대 후반 이후 개인에 의한 혜성 및 소행성 발견은 어려워졌다. 이로 인해 천체의 첫 번째 발견자가 되는 것을 목표로 하는 아마추어 천문학자들은 관측 대상을 변경하는 경우가 잇따랐다.

일본에서 2000년 이후 이타가키 코이치를 비롯한 관측자들의 신성 및 초신성 발견이 급증한 것은 이러한 영향 때문이다.

참조

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