돌무더기
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1. 개요
돌무더기 천체는 소행성이나 위성이 충돌로 파괴된 후 파편들이 중력으로 뭉쳐 형성된 천체를 의미한다. 이러한 천체는 작은 소행성에서 흔히 발견되며, 내부가 텅 비어있거나 레골리스로 덮여 있는 경우가 많다. 소행성의 밀도를 통해 돌무더기 여부를 판단하며, 대표적인 예시로 253 마틸데, 25143 이토카와 등이 있다. 이토카와 탐사를 통해 돌무더기 천체 가설이 처음 실증되었으며, 돌무더기 천체 연구는 태양계 형성 과정 연구와 지구 충돌 위험 대비에 중요하다.
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| 돌무더기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | |
| 정의 | 라블 더미 소행성(영어: Rubble pile)은 중력에 의해 함께 뭉쳐진 많은 암석 조각으로 이루어진 천체이다. | 
2. 돌무더기 천체의 기원 및 형성
돌무더기는 소행성이나 위성이 충돌로 산산조각난 후, 자체 중력으로 인해 다시 하나로 뭉쳐지는 천체를 말한다. 이 과정은 몇 시간에서 몇 주 정도 걸린다.
작은 소행성 대부분은 돌무더기로 추정된다. 253 마틸데는 표면이 암석질인데도 밀도가 낮아 돌무더기로 추정되는 대표적인 예이다. 니어 슈메이커 탐사 결과, 마틸데 표면의 큰 충돌구는 소행성이 산산조각났어야만 생성될 수 있는 크기였다. 반면 433 에로스는 표면에 갈라짐은 있지만 전체적으로 하나의 덩어리인 것으로 밝혀졌다. 최초로 돌무더기임이 확실시된 천체는 25143 이토카와이며, 접촉소천체가 형성되며 돌무더기가 된 것으로 보인다.
소행성은 중력이 매우 약해 내부에 큰 빈 공간이 있을 수 있다. 겉보기에는 레골리스로 완전히 덮여 있어도, 중력이 약해 레골리스 조각이 빈 공간으로 떨어지지 않고 떠 있을 수 있다.
1 세레스, 2 팔라스, 4 베스타, 10 히기에이아, 704 인테람니아 등 큰 소행성은 큰 구멍이 없는 덩어리이다. 이는 돌무더기 구조로는 충돌을 버티지 못하고 산산조각났을 것이기 때문이거나, 질량이 커서 다시 뭉칠 만한 중력이 있었기 때문으로 보인다. 베스타는 충돌 흔적에서 행성 분화 증거가 발견되어 돌무더기가 아닌 것으로 확인되었으며, 이는 일정 크기 이상이면 돌무더기로 부서지는 것을 막을 수 있다는 지표로 사용된다.
소행성대 외에도, 목성형 행성의 위성 중 돌무더기 구조를 가진 천체가 다수 존재한다.
2. 1. 소행성 충돌과 돌무더기 형성
소행성족은 궤도 요소가 서로 비슷한 소행성들의 집합으로, 모천체가 다른 천체와 충돌하여 파괴되면서 형성된 것으로 추정된다. 파편 간의 상대 속도가 작으면, 파편들은 서로의 중력에 의해 다시 뭉쳐져 돌무더기 천체를 형성한다.[12][14][15]소행성대에서는 태양계 형성 이후 이러한 충돌과 재집적 과정이 계속되고 있다. 소행성의 크기와 강도에 따라 다르지만, 직경 수 km 정도의 소행성은 약 10억 년, 수백 m 크기는 수천만 년 간격으로 다른 천체와 충돌하여 파괴되는 것으로 추정된다. 따라서 현재 관측되는 많은 소행성들이 이러한 충돌과 재집적 과정을 겪고 있는 것으로 보인다.[12]
3. 돌무더기 천체의 특징
돌무더기 천체는 내부 틈새가 많아 밀도가 낮고, 파편 간 결합력이 약해 강도가 낮은 특징을 보인다.[11]
대부분의 작은 소행성은 돌무더기로 추정된다.
화성의 두 자연 위성 중 더 큰 위성인 포보스는 두께가 약 100m인 얇은 레골리스 지각으로 묶인 돌무더기로 여겨진다.[8][9]
3. 1. 밀도와 공극률
과학자들이 소행성의 밀도를 처음 결정했을 때, 소행성이 종종 돌무더기일 것이라고 의심했다. 계산된 밀도 중 다수는 운석의 밀도보다 훨씬 낮았는데, 운석은 어떤 경우에는 소행성의 파편으로 밝혀졌다.[11]S형 소행성과 같은 물질로 여겨지는 보통 콘드라이트의 밀도는 약 3.2g/cm3이고, C형 소행성과 같은 물질로 추정되는 탄소질 콘드라이트의 밀도는 약 이다. 따라서 이들에 비해 밀도가 현저히 낮은 소행성은 돌무더기 천체일 가능성이 높다.
소행성이 돌무더기인지 판정하는 데 주로 사용하는 방법은 소행성의 밀도를 구해보는 것이다. 일반적인 운석보다 밀도가 너무 낮은 경우를 돌무더기로 간주하고 있다. 예를 들어, 니어 슈메이커가 방문한 253 마틸데는 표면이 암석질인데도 부피에 비해 질량이 너무 낮아, 내부가 통째로 얼음이라 가정하여도 밀도를 설명할 수 없었다. 또한 마틸데 표면에 커다란 충돌구가 생기려면 아무리 단단하더라도 소행성이 산산조각났어야 했다. 이러한 점을 들어, 마틸데는 돌무더기로 추정된다.
대부분의 소행성은 중력이 매우 낮기 때문에 내부의 큰 빈 공간이 가능하다. 외부에는 미세한 레골리스가 있음에도 불구하고 (적어도 우주선으로 관찰된 해상도까지) 소행성의 중력이 너무 약해서 파편 간의 마찰이 지배적이며 작은 조각들이 안으로 떨어져 빈 공간을 채우는 것을 막는다.
3. 2. 형태 및 구조
소행성이나 위성이 충돌로 인해 산산조각난 후, 스스로의 중력으로 인해 하나로 뭉쳐져서 형성된 천체를 돌무더기라고 한다. 전체 형성 과정은 몇 시간에서 몇 주가량 걸릴 것으로 추정된다.돌무더기 소행성은 질량이 더 큰 천체 옆을 지나갈 때 기조력으로 인해 구조가 바뀐다. 소행성의 밀도를 통해 돌무더기 여부를 판정하는데, 일반적인 운석보다 밀도가 너무 낮은 경우 돌무더기로 간주한다. 예를 들어, 253 마틸데는 표면이 암석질인데도 불구하고 부피에 비해 질량이 너무 낮아, 내부가 통째로 얼음이라 가정하여도 밀도를 설명할 수 없었다. 또한 마틸데 표면의 커다란 충돌구는 소행성을 산산조각 냈어야 했다. 이러한 점을 들어, 마틸데는 돌무더기로 추정된다. 반면, 433 에로스는 표면에 갈라짐이 있지만 전체적으로는 하나의 덩어리인 것으로 밝혀졌다. 25143 이토카와는 최초로 돌무더기임이 반론 없이 확실시되는 천체로, 접촉소천체가 형성되며 돌무더기가 된 것으로 보인다.
소행성의 중력은 매우 작아 내부에 큰 빈 공간이 존재할 수 있다. 겉으로 레골리스가 완전히 덮인 것으로 보여도, 중력이 약해 레골리스 조각이 속의 빈 공간으로 떨어지지 않고 떠 있을 수 있다.
큰 소행성(1 세레스, 2 팔라스, 4 베스타, 10 히기에이아, 704 인테람니아)은 모두 큰 구멍이 보이지 않는 덩어리인데, 이는 돌무더기 구조로는 충돌을 버티지 못하고 산산조각났을 것이기 때문이거나, 질량이 충분히 커 산산조각이 났어도 다시 뭉칠 만한 중력이 있었기 때문으로 보인다. 베스타는 충돌이 일어난 흔적에서 행성 분화가 일어났다는 증거가 있어 확실히 돌무더기가 아닌 것으로 보이며, 크기가 베스타 이상이면 돌무더기로 조각나는 것을 막아줄 수 있다는 지표로서 사용되고 있다.
4. 돌무더기 천체의 종류
작은 소행성 대부분은 돌무더기로 추정된다. 돌무더기는 소행성이나 위성이 충돌로 산산조각난 후, 스스로의 중력으로 인해 하나로 뭉칠 때 형성된다. 이 과정은 몇 시간에서 몇 주가량 걸릴 것으로 추정된다.
돌무더기 소행성은 질량이 더 큰 천체 옆을 지나갈 때 기조력에 의해 구조가 바뀐다. 소행성의 밀도를 통해 돌무더기 여부를 판단하는데, 일반적인 운석보다 밀도가 낮으면 돌무더기로 간주한다. 소행성의 중력은 매우 작아 내부에 빈 공간이 있어도 레골리스 조각이 가라앉지 않고 떠 있을 수 있다.
1 세레스, 2 팔라스, 4 베스타, 10 히기에이아, 704 인테람니아 등 큰 소행성은 모두 덩어리 형태인데, 이는 돌무더기 구조로는 충돌을 버티기 어렵거나, 질량이 커서 다시 뭉칠 수 있기 때문이다. 베스타는 행성 분화 증거가 있어 돌무더기가 아니며, 베스타 이상의 크기는 돌무더기로 부서지는 것을 막아줄 수 있음을 보여준다.
4. 1. 소행성
253 마틸데, 25143 이토카와 등은 돌무더기 소행성의 대표적인 예시이다. 433 에로스는 균열이 많지만, 돌무더기는 아닌 것으로 밝혀졌다.[19] 반면, 1 세레스, 2 팔라스, 4 베스타, 10 히기에이아, 704 인테람니아 등 큰 소행성은 내부 다공성이 없는 단단한 덩어리이다.
소행성의 밀도를 통해 돌무더기 여부를 판단하는데, 253 마틸데의 경우 밀도가 너무 낮아 내부에 큰 빈 공간이 있을 것으로 추정된다.[12][18] 25143 이토카와는 최초로 돌무더기임이 확실시된 소행성이다.
NEAR 슈메이커 탐사선은 433 에로스를 관측한 결과, 에로스는 균열은 있지만 전체적으로는 하나의 덩어리인 것으로 밝혀졌다.[19][20]
4. 2. 혜성
관측 결과에 따르면 혜성 핵은 하나의 덩어리가 아니라 작은 조각 여러 개가 뭉친 형태이며, 약간의 교란에도 분열할 수 있을 가능성이 제기되었다. 혜성 핵은 소행성처럼 충돌로 생긴 조각이 뭉친 것이 아닌, 생성 당시에 조각이 뭉친 형태로 보인다.[33][34][35][36] 하지만 로제타 탐사선의 탐사 결과는 실제 혜성 핵이 이보다 더 복잡한 구조임을 시사하고 있다.[37]
4. 3. 위성
화성의 위성 포보스는 돌무더기에 두께 약 100m의 레골리스 지각이 덮인 형태로 추정된다.[38][39] 포보스는 분광 관측 결과를 통해 포획된 소행성대 소행성으로 보인다.[40][41]
화성의 두 자연 위성 중 더 큰 포보스는 두께가 약 100m인 얇은 레골리스 지각으로 묶인 돌무더기로 여겨진다.[8][9] 돌무더기 형태는 화성 위성의 ''제자리'' 기원을 가리킬 수 있다. 이를 바탕으로 포보스와 데이모스가 파괴된 단일 위성에서 기원했을 수 있다는 주장이 제기되었다. 또는 포보스는 고리 형태로 찢어진 다음 재결합하여 바깥쪽으로 이동하는 과정을 반복하는 '재활용'을 겪었을 수도 있다.
5. 소행성 탐사와 돌무더기 천체 연구
소행성이나 위성이 충돌로 산산조각난 후, 스스로의 중력으로 인해 하나로 뭉쳐 돌무더기가 형성된다. 이 과정은 몇 시간에서 몇 주가량 걸린다. 작은 소행성 대부분은 돌무더기로 추정된다.
돌무더기 소행성은 질량이 더 큰 천체 옆을 지나갈 때 기조력으로 인해 구조가 바뀐다. 소행성이 돌무더기인지 판정하는 주된 방법은 밀도를 구해보는 것이다. 일반적인 운석보다 밀도가 너무 낮은 경우 돌무더기로 간주한다. 니어 슈메이커가 방문한 253 마틸데는 표면이 암석질인데도 부피에 비해 질량이 너무 낮아, 내부가 통째로 얼음이라 가정하여도 밀도를 설명할 수 없었다. 또한 마틸데 표면에 커다란 충돌구가 생기려면 소행성이 산산조각났어야 했다.
25143 이토카와는 최초로 돌무더기임이 확실시되는 천체로, 접촉소천체가 형성되며 돌무더기가 된 것으로 보인다. 반면, 니어 슈메이커가 탐사한 433 에로스는 표면에 갈라짐이 있지만 전체적으로는 하나의 덩어리인 것으로 밝혀졌다.
소행성의 중력은 매우 작아 속이 비는 것도 가능하다. 겉에 레골리스가 덮여 있어도, 중력이 약해 레골리스 조각이 빈 공간으로 떨어지지 않고 떠 있을 수 있다.
큰 소행성(1 세레스, 2 팔라스, 4 베스타, 10 히기에이아, 704 인테람니아)은 모두 큰 구멍이 없는 덩어리인데, 이는 돌무더기 구조로는 충돌을 버티지 못하고 산산조각났을 것이기 때문이거나, 질량이 충분히 커 다시 뭉칠 만한 중력이 있었기 때문으로 보인다. 베스타는 충돌 흔적에서 행성 분화가 일어났다는 증거가 있어 돌무더기가 아니며, 크기가 베스타 이상이면 돌무더기로 조각나는 것을 막아줄 수 있다는 지표로 사용된다.
5. 1. 초기 소행성 탐사
갈릴레오 탐사선이 소행성대를 지나가면서, 1991년 10월 18일 플로라족에 속하는 소행성 (951) 가스프라를 플라이바이하면서 소행성 탐사가 시작되었다. 갈릴레오는 가스프라에 매우 가까이 접근하지 않아 질량을 조사하지 못했고, 가스프라가 돌무더기 천체인지 판단할 자료는 부족하다.[16]1993년 8월 28일, 갈릴레오는 코로니스족에 속하는 S형 소행성 (243) 이다를 플라이바이했다. 이다의 밀도는 약 2.6g/cm3, 내부 공극률은 30% 전후로 추정되었다. 이 값은 이다가 돌무더기 구조를 가지고 있는지, 아니면 내부에 큰 균열이 있는 통짜 바위 천체인지에 대한 두 가지 가능성을 모두 시사하여 연구자들 사이에 의견이 분분했다. 또한 이다에서는 위성 닥틸이 발견되었는데, 닥틸은 이다에 다른 소천체가 충돌하여 형성되었다는 설과 모천체의 충돌 파괴로 코로니스족이 형성될 때 이다와 함께 형성되었다는 설이 있다.[17]
5. 2. NEAR 슈메이커 탐사
NEAR 슈메이커는 1997년 6월 27일 C형 소행성 마틸데에 접근 통과(플라이바이)하면서 관측했다. 그 결과 마틸데의 밀도는 1.3g/cm3이고, 내부 공극률은 50%를 넘는다는 결과가 나왔다. 이는 마틸데가 돌무더기 천체일 가능성이 높다는 것을 보여주지만, 짧은 시간 동안의 조사였기 때문에 암석 덩어리가 모여 형성된 돌무더기 천체인지는 확정되지 않았다.[12][18]2000년 2월 14일, NEAR 슈메이커는 S형 소행성 에로스 궤도에 진입하여 약 1년 동안 관측했다. 관측 결과 에로스의 밀도는 약 2.67g/cm3, 내부 공극률은 약 30%로 이다와 비슷한 수치를 보였다. 에로스 표면에는 다양하고 큰 규모의 구조 지형이 발견되었고, 크레이터 역시 구조 지형의 영향을 받아 다각형으로 변형된 사례도 관측되었다. 에로스는 이러한 대규모 구조 지형을 유지하고, 충돌 크레이터도 에로스 자체 구조 지형의 영향을 받은 형태를 하고 있다는 점에서, 파편 집합체가 아닌 물질끼리 결합된 내부 구조를 가진 천체로 추정되었다. 내부에 큰 균열 (구조 지형)이 있는 것으로 보인다.[19] 에로스의 질량 중심과 형태 중심이 거의 같다는 점도 이러한 추정을 뒷받침한다.[20]
5. 3. 하야부사 탐사
하야부사 탐사선은 이토카와 소행성이 돌무더기 천체임을 밝혀냈다. 하야부사는 2005년 9월 12일 이토카와에 도착하여 약 2개월 동안 탐사했다.[14][21]하야부사의 탐사 결과, 이토카와의 밀도는 약 1.9g/cm3로 측정되었고, 전체 공극률은 40%를 넘는 것으로 추정되었다. 이는 마틸데보다는 낮지만, 에로스나 이다보다는 높은 수치이다. 이토카와 표면에는 많은 암괴가 존재하는데, 그중 가장 큰 암괴인 '요시노다이'[22]는 길이 약 50m로, 이토카와 본체 크기의 약 10분의 1에 해당한다. 이는 이토카와 표면에서 보이는 최대 지름 100m급 크레이터 형성 시 생성되는 암괴의 크기를 훨씬 뛰어넘는 것으로, 요시노다이는 이토카와에서 형성된 암괴가 아니라는 증거로 제시되었다.[23][24][25]
이토카와 표면의 크레이터가 적고, 바닥이 얕으며, 모양이 일그러져 있다는 점도 이토카와가 돌무더기 천체라는 증거이다. 소천체가 충돌하여 크레이터가 형성될 때, 이토카와 내부의 암괴도 함께 움직이기 때문에 이러한 특징이 나타나는 것으로 추정된다.[28]
이토카와 표면에서 각력암으로 추정되는 암석이 발견되었다. 각력암은 암석 파편이 굳어져 만들어지는데, 이토카와 정도 크기의 천체에서는 암석 파편끼리 굳어지는 작용이 일어날 수 없다. 따라서 각력암은 이토카와의 모천체에 원래 있던 것으로 보이며, 이토카와의 모천체는 수십 km 이상의 크기였을 것으로 추정된다.[29]
이처럼 하야부사의 관측 결과는 이토카와의 높은 내부 공극률과 지형적 특징을 통해 이토카와가 소행성 간 충돌로 인해 생성된 암괴가 모여 형성된 돌무더기 천체임을 보여준다.[23]
6. 돌무더기 천체 연구의 의의 및 중요성
소행성이 돌무더기인지 판정하는 방법은 주로 밀도를 계산하는 것이다. 일반적인 운석보다 밀도가 낮으면 돌무더기로 추정한다. 니어 슈메이커가 방문한 253 마틸데는 표면은 암석질이지만 부피에 비해 질량이 너무 낮아, 내부가 얼음이라고 가정해도 밀도를 설명할 수 없었다. 또한 마틸데 표면의 큰 충돌구는 소행성이 산산조각났어야 생길 수 있는 크기였다. 반면, 니어 슈메이커가 탐사한 433 에로스는 표면에 갈라짐이 있지만 전체적으로는 하나의 덩어리였다.
돌무더기는 소행성이나 위성이 충돌로 산산조각난 후, 자체 중력으로 다시 뭉쳐 형성된다. 이 과정은 몇 시간에서 몇 주 정도 걸린다. 소행성의 중력은 매우 작아 속이 비어있을 수도 있다. 겉으로 레골리스가 완전히 덮고 있어도, 중력이 약해 레골리스 조각이 빈 공간으로 떨어지지 않고 떠 있을 수 있다.
큰 소행성(1 세레스, 2 팔라스, 4 베스타, 10 히기에이아, 704 인테람니아)은 모두 큰 구멍이 없는 덩어리인데, 이는 돌무더기 구조로는 충돌을 버티지 못하고 산산조각났을 것이기 때문이거나, 질량이 커서 산산조각이 났어도 다시 뭉칠 만한 중력이 있었기 때문으로 보인다. 베스타는 충돌 흔적에서 행성 분화 증거가 발견되어 돌무더기가 아닌 것으로 확실시되며, 베스타 크기 이상이면 돌무더기로 조각나는 것을 막을 수 있다는 지표로 사용된다.
6. 1. 태양계 역사 연구
소행성 및 혜성의 형성 과정과 태양계 진화 과정을 이해하는 데 돌무더기 천체 연구는 중요한 단서를 제공한다. 특히 소행성 간 충돌, 파괴, 재집적 과정의 역사를 밝히는 데 기여한다.[11][30]하야부사 탐사선이 25143 이토카와를 관측하면서 돌무더기 가설이 처음으로 실증되었다. 이토카와는 S형 소행성인데, 다른 C형 소행성 등에서도 같은 돌무더기 천체가 발견되는지, 그리고 실제 돌무더기 천체에 대해 지진파나 전파 등으로 직접 탐사하여 돌무더기 천체가 중력만으로 결합되어 있는지 아니면 다른 결합력이 생겨나는지 등 돌무더기 천체의 내부를 조사할 필요성이 제기되고 있다.[11][30]
지구 근접 소행성은 먼 미래에 지구와 충돌할 가능성도 있어, 소행성 내부 탐사는 지구 충돌 가능성이 있는 천체의 내부에 대한 지식을 넓히는 데 기여하므로 스페이스 가드의 관점에서도 중요하다.[21]
6. 2. 지구 방위 (Planetary Defense)
25143 이토카와와 같은 지구 근접 소행성은 먼 미래에 지구와 충돌할 가능성이 있다. 소행성 내부 탐사는 지구 충돌 가능성이 있는 천체의 내부에 대한 지식을 넓히는 데 기여하므로, 스페이스 가드 관점에서도 중요하다.[21] 이러한 소행성들은 돌무더기 구조를 가질 수 있는데, 이는 소행성이나 위성이 충돌로 산산조각난 후 스스로의 중력으로 인해 하나로 뭉쳐져 형성되기 때문이다. 돌무더기 소행성이 질량이 더 큰 천체 옆을 지나가면 기조력으로 인해 구조가 바뀔 수 있다.대부분의 작은 소행성은 돌무더기로 추정된다. 소행성이 돌무더기인지 판정하는 주요 방법은 소행성의 밀도를 구하는 것이다. 일반적인 운석보다 밀도가 낮으면 돌무더기로 간주한다. 예를 들어 253 마틸데는 표면이 암석질인데도 부피에 비해 질량이 너무 낮아, 내부가 얼음이라 가정해도 밀도를 설명할 수 없었다. 또한 마틸데 표면의 큰 충돌구는 소행성이 산산조각났어야 생길 수 있다. 따라서 마틸데는 돌무더기로 추정된다. 최초로 돌무더기임이 확실시되는 천체는 25143 이토카와이다.[21]
소행성의 중력은 매우 작아 속이 비어있을 수도 있다. 겉에 레골리스가 덮여 있어도, 중력이 약해 레골리스 조각이 빈 공간으로 떨어지지 않고 떠 있을 수 있다.
참조
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Hayabusa-2: Asteroid mission exploring a 'rubble pile'
 
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2019-03-19
 
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After a bounce, Rosetta's Philae lander serves up cometary surprises
 
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[8] 
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Phobos is Slowly Falling Apart
 
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2014-08-04
 
[10] 
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平田、中村(2007)によれば、岩塊が集積することによって形成された天体のことを、「ラブルパイル構造を持つ天体」ないし「ラブルパイル天体」と呼んでいるとしている。ここでは中村、阿部、平田(2007)、川口(2010)が使用している「ラブルパイル天体」を記事名とする。
 
[11] 
문서
 
平田、中村 [2007:159]
 
[12] 
문서
 
中村、阿部、平田 [2007:216]
 
[13] 
문서
 
川口 [2010:79]
 
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문서
 
藤原 [2007:161]
 
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문서
 
平田、中村 [2007:158]
 
[16] 
문서
 
平田、中村 [2007:160]
 
[17] 
문서
 
平田、中村 [2007:160-162]
 
[18] 
문서
 
平田、中村 [2007:162-163]
 
[19] 
문서
 
平田、中村 [2007:162-167]
 
[20] 
문서
 
中村、阿部、平田 [2007:218]
 
[21] 
문서
 
中村、阿部、平田 [2007:217]
 
[22] 
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吉川(2009)によれば、ヨシノダイの名は[[宇宙科学研究所]]相模原キャンパスの所在地である[[相模原市]][[中央区 (相模原市)|中央区]]由野台にちなみ名づけられた。ただし[[国際天文学連合]]が認めた地名ではなく、通称である。
 
[23] 
문서
 
平田、中村 [2007:171]
 
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