카론 (위성)

3. 특성

카론은 지름이 1212km로 명왕성 지름의 절반을 약간 넘고, 세레스보다 크며, 태양계에서 12번째로 큰 위성이다.^[60][61] 질량은 명왕성의 약 1/7 정도이다. 적외선 스펙트럼 관측 결과, 카론의 표면은 얼음으로 덮여 있는 것으로 밝혀졌는데, 이는 메테인으로 덮여 있는 명왕성의 표면과는 다른 구성 성분이다.^[82]

카론과 명왕성은 서로 조석 고정되어 있어 항상 같은 면을 마주보고 있다. 명왕성에서 카론을 보면 하늘에서 움직이지 않는 것처럼 보이며, 카론에서 명왕성을 보아도 마찬가지이다. 1980년대 후반에는 카론이 지구와 명왕성 사이를 통과하면서 명왕성 표면 밝기가 변화하는 현상이 관측되기도 했다.

명왕성-카론계는 질량 중심이 주 천체(명왕성)의 표면 밖에 있는, 태양계 내에서 가장 큰 연성계 중 하나이다. 이러한 점과 카론의 지름이 명왕성의 절반 이상이라는 점 때문에 명왕성-카론계를 이중 행성으로 보아야 한다는 의견도 제기되었다.

3. 1. 궤도

3. 2. 내부 구조

3. 2. 1. 핫 스타트 모델

3. 2. 2. 콜드 스타트 모델

4. 기원

과거에는 카론과 명왕성이 트리톤과 함께 해왕성의 위성이었다가 다른 위성과의 중력적 상호 작용으로 궤도에서 튕겨 나왔다는 가설이 있었다. 트리톤은 대기나 지질학적 조성이 명왕성과 유사하여, 과거에는 태양을 공전하는 해왕성 바깥 천체였을 가능성도 있으나, 오늘날에는 명왕성이 해왕성을 공전한 적은 없었다는 것이 널리 받아들여지고 있다.^[83]

2005년 로빈 카누프가 발표한 시뮬레이션 연구에 따르면 카론은 45억 년 전 쯤에 지구와 달의 형성 과정과 유사한 충돌로 형성되었을 수 있다고 한다. 이 모델에서, 거대한 카이퍼 벨트 천체가 높은 속도로 명왕성과 충돌하여 자신은 파괴되고 명왕성의 바깥 맨틀의 대부분이 날아가고, 그 잔해로부터 카론이 뭉쳐졌다는 것이다.^[37] 하지만, 이러한 충돌은 과학자들이 발견한 것보다 더 얼음이 많은 카론과 더 암석이 많은 명왕성을 초래해야 한다. 현재는 명왕성과 카론이 서로 궤도에 진입하기 전에 충돌했던 두 개의 천체였을 가능성이 있다고 여겨진다. 이 충돌은 메탄(메테인^영어)과 같은 휘발성 얼음을 증발시킬 정도로 격렬했지만, 두 천체 중 하나를 파괴할 만큼 격렬하지는 않았다. 명왕성과 카론의 매우 유사한 밀도는 충돌이 일어났을 때 모체가 완전히 분화되지 않았음을 시사한다.^[60]

5. 표면

명왕성 표면은 질소, 메탄 얼음으로 구성된 반면, 카론 표면은 휘발성이 낮은 물 얼음이 주를 이룬다. 2007년 제미니 천문대 관측 결과, 카론 표면에서 암모니아 수화물과 물 결정이 발견되어 냉간헐천과 냉화산 존재 가능성이 제기되었다. 얼음이 결정 형태로 존재하는 것은 비교적 최근에 생성되었음을 시사한다.^[53][57] 그러나 뉴 호라이즌스 근접 비행 이후 데이터에서는 활발한 냉화산이나 간헐천이 발견되지 않았다. 이후 연구에서는 결정성 물 얼음과 암모니아 특징의 냉화산 기원에 의문을 제기하며, 지하 물질에서 암모니아가 수동적으로 보충될 수 있다는 가설을 제시했다.^[66]

카론 표면 광도 측정 결과 알베도에서 위도에 따른 경향이 나타났는데, 밝은 적도 띠와 어두운 극이 관찰되었다. 특히 북극 지역은 ''뉴 호라이즌스'' 팀이 "모르도르"라고 명명한 매우 넓고 어두운 지역이 특징이다.^[52][51][50]

5. 1. 지형

6. 대기

카론은 명왕성과는 다르게 뚜렷한 대기가 없다.^[60] 모르도르 마큘라와 같이 어두운 지역이 만들어지는데 영향을 주는, 얇은 외기권이 있을 것이라는 추측이 있었다. 명왕성과 카론이 겪는 강한 계절 변화는 카론에서 메탄이 승화되면서 짧은 시간 동안 외기권이 만들어졌다가, 수 세기 동안 휴면기가 이어지는 현상을 유발할 수 있다.^[38]

명왕성은 얇지만 뚜렷한 대기를 가지고 있어서, 특정 조건에서는 카론의 중력이 명왕성의 얼음에서 명왕성의 상층 대기, 특히 질소를 카론 표면으로 끌어당길 수 있다. 질소는 대부분 두 천체 사이의 중력 중심에 잡혀 카론에 도달하기 전에 붙잡히지만, 카론에 도달하는 가스는 표면에 밀착된다. 가스는 대부분 질소 이온으로 구성되지만, 그 양은 명왕성 대기의 총량에 비해 매우 적다.^[39]

카론 표면의 얼음 형성에 대한 여러 스펙트럼 특징으로 인해, 일부 사람들은 얼음 형성이 대기를 공급할 수 있다고 믿었지만, 아직 확인되지 않았다. 많은 과학자들은 이러한 얼음 형성이 깊은 크레이터나 카론의 표면 아래와 같이 직접적인 시야에서 숨겨져 있을 수 있다고 생각한다. 명왕성이 대기를 카론으로 전달하는 것과 비슷하게, 카론은 질량이 작기 때문에 상대적으로 낮은 중력으로 인해 존재할 수 있는 모든 대기가 표면에서 우주로 빠르게 탈출하게 된다.^[40] 별의 대기를 탐사하는 데 사용되는 별 엄폐 현상을 통해서도 과학자들은 대기가 존재하는지 확인할 수 없었다. 이것은 1986년 명왕성에 대한 별 엄폐 현상 테스트를 시도하는 동안 확인되었다. 카론은 또한 명왕성의 대기를 보호하는 역할을 하며, 일반적으로 명왕성과 충돌하여 대기를 손상시키는 태양풍을 차단한다. 카론이 이러한 태양풍을 차단하기 때문에 명왕성이 아닌 자체 대기가 감소한다. 이러한 효과는 카론에 대기가 없는 이유를 설명할 수도 있다. 대기가 축적되기 시작하면 태양풍이 이를 멈추게 한다. 카론이 대기를 가질 가능성은 여전히 남아 있다. 앞서 언급했듯이, 명왕성은 대기 가스의 일부를 카론으로 전달하며, 여기서 우주로 탈출하는 경향이 있다. 카론의 밀도가 1.71g/cm³이고, 이는 현재 대략적인 추정치이며, 표면 중력이 명왕성의 0.6배라고 가정하면, 명왕성보다 높은 평균 분자량과 낮은 외기권 표면 온도를 가지므로, 대기 중의 가스가 명왕성에서보다 카론에서 더 빠르게 탈출하지 않을 것이다.^[42]

카론 표면에서 CO₂ 가스와 H₂O 증기의 뚜렷한 증거가 있었지만, 이 증기들은 낮은 증기압으로 인해 대기에 충분하지 않다. 명왕성 표면에는 풍부한 얼음 형성이 있지만, 메탄과 같은 휘발성 물질로 구성되어 휘발성이 높다. 이러한 휘발성 얼음 구조는 많은 지질 활동을 일으켜 대기를 일정하게 유지하는 반면, 카론의 얼음 구조는 주로 물과 이산화탄소로 구성되어 있어 훨씬 덜 휘발성 물질이므로 휴면 상태를 유지하고 대기에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다.^[43]

7. 관측 및 탐사

카론은 미국 해군 천문대 플래그스태프 관측소(NOFS)에서 약 154.94cm 망원경을 사용하여 미국 해군 천문학자 제임스 크리스티에 의해 발견되었다.^[21] 1978년 6월 22일, 크리스티는 두 달 전에 망원경으로 촬영한 명왕성의 고배율 사진 건판 이미지를 검토하던 중, 주기적으로 나타나는 약간의 팽창을 발견했다. 이 팽창은 1965년 4월 29일 자 건판에서도 확인되었다.^[22] 이후 명왕성 관측을 통해 이 팽창이 작은 동반 천체에 의한 것임이 확인되었다. 팽창 주기는 명왕성의 광도 곡선을 통해 알려졌던 명왕성의 자전 주기와 일치했으며, 이는 동기 궤도를 나타내며 팽창 효과가 실제임을 강력히 시사했다. 국제 천문 연맹은 1978년 7월 7일 크리스티의 발견을 공식 발표했다.^[23]

1985년부터 1990년 사이에 카론과 명왕성이 5년간 상호 일식 및 통과 현상을 겪으면서 카론의 존재에 대한 의문이 사라졌다.

1990년대 허블 우주 망원경에 의해 명왕성과 카론이 분리된 디스크로 나타나는 이미지가 처음 촬영되었다. 1994년, 허블의 희미한 물체 카메라(FOC)로 촬영된 명왕성-카론 시스템의 가장 선명한 사진은 두 개의 뚜렷하고 명확하게 정의된 디스크를 보여주었다. 이 이미지는 시스템이 지구로부터 4400000000km 떨어진 곳에 있을 때 촬영되었다.^[44] 이후 적응 광학 기술 개발로 지상 망원경을 사용하여 명왕성과 카론을 별도 디스크로 분해하는 것이 가능해졌다.^[24] 지상 관측은 매우 어렵지만, 2008년 이탈리아 아마추어 천문학자 그룹은 14인치 망원경을 사용하여 명왕성 이미지에서 카론을 성공적으로 분해했다.^[45]

2015년 6월, ''뉴 호라이즌스'' 우주선은 명왕성-카론 시스템에 접근하면서 연속적인 이미지를 포착했다. 같은 해 7월, ''뉴 호라이즌스''는 명왕성 시스템에 가장 근접했다. 이 탐사선은 현재까지 카론을 방문하고 연구한 유일한 우주선이다. 카론 발견자인 제임스 크리스티와 클라이드 톰보의 자녀들은 뉴 호라이즌스가 가장 근접했을 때 존스 홉킨스 응용 물리학 연구소에 초대받았다.

8. 분류

명왕성-카론 시스템의 질량 중심은 두 천체 외부에 존재하며, 카론의 질량은 명왕성의 12.2%에 달한다. 이러한 특징 때문에 카론은 명왕성의 위성이 아니라, 이중 왜행성계로 분류해야 한다는 주장이 제기되었다.^[59]

국제천문연맹(IAU)은 현재 카론을 명왕성의 위성으로 분류하고 있지만, 앞으로 왜행성으로 분류할 가능성도 열어두고 있다.^[59] 2006년 IAU의 행성 정의 초안에서는 카론을 행성으로 분류하려는 시도가 있었다. 초안에 따르면 행성의 위성은 질량 중심이 주 천체 내부에 있어야 하는데, 명왕성-카론 시스템의 질량 중심은 명왕성 외부에 있었기 때문이다. 그러나 최종 정의에서 명왕성이 왜행성으로 재분류되면서 카론의 행성 지위는 무산되었다.^[59][81]

달 역시 조석 가속으로 인해 지구에서 점차 멀어지고 있어, 수십억 년 후에는 지구-달 시스템의 질량 중심이 지구 밖으로 이동하여 행성으로 분류될 수도 있다는 가설이 제기되기도 했다.^[55]

명왕성의 다른 위성인 닉스, 히드라, 케르베로스, 스틱스는 명왕성-카론과 같은 질량 중심을 공전하지만, 구형을 유지할 만큼 크지 않아 위성으로 간주된다.^[56]

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