움브리엘 (위성)

3. 궤도

움브리엘은 천왕성에서 약 266,000 km 떨어진 거리에서 공전하며, 천왕성의 5개 주요 위성 중 세 번째로 멀리 떨어져 있다. 궤도 이심률은 작으며, 천왕성의 적도에 대한 궤도 경사각도 매우 작다. 궤도 주기는 4.1일로, 움브리엘의 자전 주기와 같아 항상 천왕성을 향해 같은 면을 보인다.

움브리엘의 궤도는 천왕성의 자기권 안에 있어서, 공전 방향과 반대 방향인 뒷면은 자기권 플라스마 입자와 충돌한다. 이것은 오베론을 제외한 다른 천왕성 위성들의 뒷면이 어두운 이유로 여겨진다. 1986년 보이저 2호가 움브리엘 근처를 지나갈 때, 자기권 하전 입자가 움브리엘에 잡혀 에너지 입자가 줄어드는 것이 관측되었다.

천왕성처럼 기울어진 궤도로 공전하기 때문에, 하지에는 북반구가 태양을 직접 향하고 남반구는 반대 방향을 향해 극단적인 계절 변화를 겪는다. 움브리엘의 양극은 천왕성에서의 반년(42년) 동안 계속 낮 또는 밤이 지속된다. 보이저 2호가 1986년에 지나갈 때는 남반구가 하지였고, 북반구는 밤이었다. 42년마다 천왕성이 분점에 도달하면, 천왕성의 위성 간 엄폐 현상을 볼 수 있다. 2007년부터 2008년까지 이런 현상이 있었고, 2007년 8월 19일에는 움브리엘이 아리엘을 가리는 엄폐가 발생했다.

3. 1. 궤도 공명

4. 물리적 특성

움브리엘의 표면은 천왕성의 위성 중 가장 어둡고, 비슷한 크기의 위성 아리엘의 절반 이하의 빛만 반사한다. 본드 알베도는 10%로 매우 낮으며, 표면 반사율은 위상각 0°에서 26%, 약 1°에서 19%로 감소하는 충돌 효과를 보인다. 표면은 약간 푸른색을 띠지만, 운다 크레이터처럼 신선한 충돌 방출물은 더 푸른색이다.

공전 선행 반구와 후행 반구는 표면 비대칭성을 보이는데, 전자가 후자보다 붉다. 이는 Space weathering|우주 풍화 작용^영어이나 미행성체 충돌, 또는 천왕성 바깥쪽 불규칙 위성에서 유래한 붉은 물질 강착 때문일 수 있다. 움브리엘 표면은 비교적 균일하며, 알베도나 색 변화가 크지 않다.

움브리엘 형상 연구에서는 직경 약 400km, 깊이 약 5km의 거대 충돌 지형 가능성이 제기되었다. 표면에는 북동-남서 방향 협곡들이 있지만, 낮은 해상도와 표면 변화 부족으로 정식 지형으로 인식되지는 않았다.

보이저 2호가 관측한 다각형 지형은 움브리엘 표면에 균일하게 분포하며, 북동-남서 방향 경향을 보인다. 일부는 수 킬로미터 깊이 웅덩이와 일치하며, 초기 지질 활동으로 형성되었을 수 있다.

어두운 표면과 균일성은 천체 충돌이나 화산 활동으로 방출된 어두운 물질 층, 또는 지각 전체가 어두운 물질로 구성되었기 때문일 수 있다. 하지만 운다 크레이터 내부의 밝은 특징은 후자 가설과 모순된다.

4. 1. 조성과 내부 구조

얼음에 의한 흡수 특징은 후행 반구보다 공전의 선행 반구에서 더 강하다. 이 비대칭성의 원인은 밝혀지지 않았지만, 천왕성의 자기권으로부터의 하전 입자 충돌과 관계가 있는 것으로 보인다. 자기권 내 하전 입자는 천왕성의 자전과 거의 같은 각속도로 움직여 움브리엘의 궤도에서는 움브리엘의 공전 속도보다 빠르며, 그 때문에 후행 반구에 뒤에서 따라와 충돌하는 형태로 충돌한다. 에너지 입자는 물 얼음의 스퍼터링을 일으키는 경향이 있으며, 클라스레이트 하이드레이트 형태로 얼음 속에 갇혀 있는 메탄을 분해하여 유기물을 어둡게 하고, 탄소가 풍부한 어두운 잔여물이 생성된다.

물 외에 움브리엘 표면에서 적외선 분광 관측으로 발견된 화합물은 이산화 탄소뿐이며, 주로 후행 반구에 농집되어 있다. 이 이산화 탄소의 기원은 밝혀지지 않았다. 천왕성의 자기권에서 오는 고에너지 하전 입자나 태양으로부터의 자외선 영향으로 탄소 화합물이나 유기물로부터 국소적으로 생성되었을 가능성이 있다. 이 가설은 이산화 탄소 농집의 비대칭성을 설명할 수 있는데, 후행 반구에서는 선행 반구보다 자기권으로부터의 입자 영향이 더 강하기 때문이다. 다른 가능성으로는 움브리엘 내부 얼음에 예전부터 포획되어 있는 이산화 탄소의 탈가스에 의한 것이라는 가설도 존재한다. 이 경우, 내부로부터의 이산화 탄소 유출은 과거 지질학적 활동과 관련이 있을 가능성이 있다. 이러한 특징은 아리엘에서 보이는 것과 유사하다.

움브리엘 내부는 암석질 핵과, 그것을 둘러싼 얼음 맨틀로 분화되어 있을 가능성이 있다.^[2] 분화된 구조를 가질 경우, 핵의 반지름은 317 km로 위성 반지름의 약 54%에 해당하며, 질량은 위성 전체의 약 40%가 될 것으로 추정된다. 움브리엘 중심부에서의 압력은 약 0.24 GPa이다.^[2] 얼음 맨틀의 현재 상태는 알려져 있지 않지만, 내부 해를 가질 가능성은 낮다.^[2]

4. 2. 표면 특징

움브리엘의 표면은 천왕성의 위성 중 가장 어둡고, 비슷한 크기의 위성 아리엘의 절반 이하의 빛만을 반사한다. 아리엘의 본드 알베도가 23%인 반면, 움브리엘은 10%로 매우 낮다. 위성 표면의 반사율(기하 알베도)은 위상각이 0°일 때는 26%이지만, 위상각이 약 1°가 되면 19%까지 떨어진다. 이것은 충돌 효과라고 불리는 현상이다. 움브리엘 표면은 약간 푸른색을 띠지만, 운다 크레이터 등에서 보이는 것처럼 비교적 신선한 밝은 충돌 방출물은 더 푸른색을 띤다.

공전의 선행 반구와 후행 반구에서 표면의 비대칭성이 보이며, 전자는 후자보다 붉은색을 띤다. 천체 표면이 붉은색을 띠는 원인으로는 하전 입자의 충돌에 의한 Space weathering|우주 풍화 작용^영어이나, 태양계의 연대에 걸친 미행성체의 충돌이 있다. 그러나 움브리엘에서 보이는 색의 비대칭성은 아마도 천왕성의 바깥쪽 불규칙 위성에 기원을 둔 것으로 보이는 붉은 물질의 강착에 의한 것으로 생각된다. 이 물질이 주로 선행 반구 쪽에 쌓이면서 색의 비대칭성이 발생한다. 다만 움브리엘의 표면은 비교적 균일하며, 알베도나 색의 큰 변화는 보이지 않는다.

움브리엘의 형상 연구에서는 직경이 약 400km, 깊이가 약 5km의 매우 큰 충돌에 의한 지형이 있을 가능성이 지적되고 있다.

다른 많은 천왕성의 위성과 마찬가지로, 움브리엘의 표면은 북동쪽에서 남서쪽 방향으로 뻗은 일련의 협곡으로 구분되어 있다. 그러나 이미지의 해상도가 낮고 움브리엘 표면의 변화가 적기 때문에, 이 협곡은 정식 지형으로 인식되지 않았으며, 지형도를 만들 수 없다.

다각형 모양의 지형은 보이저 2호에 의한 상세한 촬영 관측으로 발견되었으며, 대체로 움브리엘 표면에 균일하게 보이며, 북동쪽에서 남서쪽 방향으로 분포하는 경향이 있다. 다각형 모양의 지형의 일부는 수 킬로미터 깊이의 웅덩이와 일치하며, 형성 직후의 지질 활동에 의해 형성되었을 가능성이 있다.

움브리엘이 왜 매우 어두운 표면을 가지고, 비교적 균일한지는 아직 밝혀지지 않았다. 표면은 천체 충돌이나 폭발적인 화산 활동으로 방출된 어두운 물질에 의한 비교적 얇은 층으로 덮여 있을 가능성이 있다. 움브리엘의 궤도 주변을 떠도는 어두운 물질에 의해 표면이 덮여 있다는 설도 있지만, 움브리엘 이외의 위성이 영향을 받지 않기 때문에 가능성은 낮다고 보인다. 다른 가설로는, 움브리엘의 지각은 모두 어두운 물질로 되어 있으며, 그 때문에 크레이터가 밝은 광선을 가지지 않는다는 것이다. 다만 운다 크레이터 내부에 보이는 밝은 특징의 존재는 이 가설과 모순된다.

4. 2. 1. 크레이터

움브리엘 표면에서 발견된 특징은 크레이터이다. 움브리엘의 표면은 아리엘이나 티타니아보다 크레이터가 더 많고, 지질학적 활동의 흔적은 가장 적다. 발견된 크레이터는 모두 중앙구를 가지고 있지만, 광선을 가진 것은 발견되지 않았다. 움브리엘의 적도 부근에는 가장 특징적인 지형인 운다 크레이터가 있다. 명암 경계선을 따라 푸엘과 스키인드라는 크레이터가 있으며, 밝은 광선은 없지만 밝은 중앙구를 가지고 있다.

움브리엘의 크레이터가 많은 표면은, 다수의 크레이터가 형성된 후기 대폭격기 이후 거의 변화하지 않은 것으로 생각된다. 과거 움브리엘에 내부 활동이 있었음을 나타내는 작은 징후는 협곡과 어두운 다각형 모양의 지형뿐이다.

움브리엘의 크레이터 명칭은 대부분 사악함과 어둠의 신과 정령에서 유래되었다.

지명	유래
알베리치(Alberich)	알베리히
핀(Fin)	핀
고브(Gob)	고브
카나로아(Kanaloa)	카나로아
말린기(Malingee)	말린기
미네파(Minepa)	미네파
페리(Peri)	페리
세티보스(Setibos)	세티보스
스킨드(Skynd)	스킨드
부벨(Vuver)	부벨
워콜로(Wokolo)	워콜로
운다(Wunda)	운다
즐리덴(Zlyden)	즐리덴

5. 기원과 진화

움브리엘은 천왕성 형성 후 남은 가스와 먼지로 이루어진 강착 원반(주행성 원반)에서 만들어졌거나, 천왕성의 적도 경사를 크게 바꾼 거대한 충돌로 인해 생겨났을 것으로 추정된다. 천왕성의 위성들은 토성의 위성에 비해 밀도가 높은데, 이는 원반에 물이 비교적 적었기 때문일 수 있다. 탄소와 질소는 일산화 탄소와 질소 분자 형태로 존재했을 가능성이 크다.

강착 과정은 수천 년 동안 지속되었으며, 이 과정에서 발생한 충돌로 움브리엘의 바깥층은 최대 180 K까지 가열되었다. 형성이 끝난 후 표면 근처는 냉각되어 수축하고, 내부는 방사성 원소 붕괴로 가열되어 팽창하면서 지각에 강한 인장 응력이 발생해 균열이 생겼을 것으로 보인다. 현재 보이는 절벽과 협곡은 이 과정의 결과물이며, 이 과정은 약 2억 년 동안 지속되었고, 수십억 년 전에 내부 활동이 끝났음을 보여준다.

초기 가열과 방사성 원소 붕괴로 인해 움브리엘 내부 얼음이 녹아 얼음 맨틀에 덮인 암석 핵 구조로 진화했을 수 있다. 움브리엘은 표면 갱신이 거의 없었던 반면, 다른 천왕성 위성들은 초기 단계에서 표면 갱신을 경험했다.

5. 1. 형성 과정

5. 2. 진화

6. 탐사

지금까지 움브리엘을 가까이에서 관측한 것은 보이저 2호뿐이며, 1986년 1월에 천왕성을 지나가면서 움브리엘을 촬영했다. 보이저 2호가 움브리엘에 가장 가까이 다가간 거리는 325000km였고, 가장 해상도가 높은 이미지의 공간 분해능은 약 5.2km였다。이때 표면의 약 40%를 촬영했지만, 지형도를 작성할 수 있을 정도의 품질을 가진 이미지는 전체의 20%뿐이었다. 다른 천왕성의 위성과 마찬가지로 보이저 2호가 지나갈 때 움브리엘의 남극이 태양을 향하고 있었고, 햇빛이 닿지 않는 북반구는 탐사할 수 없었다。

참조

_[1] 서적 オックスフォード天文学辞典 朝倉書店
_[2] 웹사이트 太陽系内の衛星表 https://www.kahaku.g[...] 국립과학박물관 2019-03-09
_[3] 서적 天文学大事典 地人書館