포보스 (위성)
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1. 개요
포보스는 화성의 두 위성 중 하나로, 1877년 아사프 홀에 의해 발견되었다. 불규칙한 모양의 포보스는 크기가 26 × 23 × 18 km이며, 탄소질 콘드라이트와 유사한 물질을 포함하고 있다. 화성 표면에서 6,000km 이내의 궤도를 돌며, 조석력으로 인해 서서히 화성에 끌려가 파괴될 운명이다. 포보스 표면은 스틱니 크레이터와 홈, 줄무늬로 덮여 있으며, 걸리버 여행기 속 인물들의 이름을 딴 지형적 특징을 가지고 있다. 궤도 운동은 태양계에서 가장 잘 연구된 천연 위성 중 하나이며, 화성에서 태양을 가로지르는 천문학적 통과 현상을 일으킨다. 과거에는 인공 천체설이 제기되었으나, 현재는 파편 더미로 여겨진다. 여러 탐사선에 의해 근접 촬영되었으며, JAXA의 MMX 임무를 포함하여 미래 탐사 계획이 진행 중이다.
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스피릿은 2004년 화성에 착륙하여 물의 존재 증거를 찾고 지형을 분석하는 임무를 수행했으며, 예상보다 긴 6년 이상 활동하다가 2011년 임무가 종료되었다.
포보스 (위성) | |
---|---|
개요 | |
![]() | |
명칭 유래 | 포보스 |
별칭 | 화성 I |
형용사 | 포보스의 |
궤도 정보 | |
모행성 | 화성 |
궤도 | 화성 궤도 |
궤도 반지름 | 9,376 km (화성 반지름의 2.76배, 지구 반지름의 1.472배) |
궤도 이심률 | 0.0151 |
근점 | 9,234.42 km |
원점 | 9,517.58 km |
공전 주기 | 7시간 39분 12초 (0.31891023일) |
평균 공전 속도 | 2.138 km/s |
궤도 경사 | 화성 적도 기준: 1.093° 국소 라플라스 면 기준: 0.046° 황도 기준: 26.04° |
자전 | 동기 자전 |
자전 속도 | 11.0 km/h (가장 긴 축 기준) |
자전축 기울기 | 0° |
물리적 특징 | |
평균 반지름 | 11.08 ± 0.04 km |
크기 | 25.90 × 22.60 × 18.32 km (± 0.08 × 0.08 × 0.06 km) |
표면적 | 1640 ± 8 km² |
부피 | 5695 ± 32 km³ |
질량 | 1.060E+16 kg |
밀도 | 1.861 ± 0.011 g/cm³ |
표면 중력 | 0.0057 m/s² (581.4 μg) |
탈출 속도 | 11.39 m/s (41 km/h) |
반사율 | 0.071 ± 0.012 (0.54 μm 기준) |
겉보기 등급 | 11.8 |
표면 온도 | 약 233 K |
발견 정보 | |
발견자 | 아사프 홀 |
발견일 | 1877년 8월 18일 |
2. 발견
포보스는 1877년 8월 18일 그리니치 평균시 09시 14분경 미국 천문학자 아사프 홀에 의해 워싱턴 D.C.에 있는 미국 해군 천문대에서 발견되었다. (1925년 이전의 천문일 관례에 따라 정오에 하루가 시작되었다는 점을 고려하면, 발견 시간은 1877년 8월 17일 워싱턴 평균시 16시 06분으로, 현대식 관례에 따르면 8월 18일 04시 06분에 해당한다.) 홀은 며칠 전 화성의 또 다른 위성인 데이모스를 발견했다.[122]
포보스는 26km 크기의 불규칙한 형태를 가지고 있으며, 자체 중력으로 둥근 모양을 유지하기에는 질량이 부족하다. 질량과 중력이 낮아 대기가 없다.[17] 포보스는 태양계에서 가장 반사율이 낮은 천체 중 하나로, 알베도는 약 0.071이다.[18]
이 발견은 세계 최대의 굴절 망원경인 26인치 "거대 적도 굴절기"를 사용하여 이루어졌다.[122]
원래 각각 "Phobus"와 "Deimus"로 표기된 이름은 이튼 칼리지의 과학 교사인 영국 학자 헨리 조지 매든이 제안했으며, 그리스 신화를 바탕으로 했다. 여기에서 포보스는 신 아레스의 동반자이다.[122]
3. 물리적 특징
적외선 스펙트럼 분석 결과, 탄소질 콘드라이트에서 발견되는 탄소가 풍부한 물질을 포함하고 있으며, 그 구성은 화성 표면과 유사하다.[19] 포보스의 밀도는 고체 암석이라고 하기에는 너무 낮아, 상당한 공극률을 가지고 있다.[20][21][22] 이는 포보스 내부에 상당량의 얼음이 존재할 수 있다는 추측으로 이어진다. 스펙트럼 관측 결과 표면 레골리스 층에는 수분이 부족하지만,[23][24] 레골리스 아래 얼음의 존재는 배제되지 않는다.[25][26] 표면 온도는 햇빛이 비치는 쪽에서는 약 -4°C, 그림자 쪽에서는 -112°C로 매우 큰 차이를 보인다.[59]
포보스의 자전은 화성으로부터의 강력한 조석력에 의해 공전과 동기화되어 있으며, 공전 방향 측과 그 반대 측에서 반사 스펙트럼의 차이가 나타난다. 포보스의 후행 반구의 가시-근적외선 반사 스펙트럼은 선행 반구에 비해 붉은색을 띠며, 후행 반구는 포보스 적색부(Phobos Red Unit; PRU), 선행 반구는 포보스 청색부(Phobos Blue Unit; PBU)라고 불린다. 이는 우주 풍화 작용에 의한 스펙트럼 적화도의 차이를 반영하고 있을 가능성이 있다.[123]
3. 1. 지형
포보스는 심하게 크레이터가 많은 위성으로, 가장 큰 크레이터는 지름 약 9km의 스틱니 크레이터이다.[47] 이 충돌은 포보스를 거의 파괴할 뻔했다. 표면에는 많은 홈과 줄무늬가 있는데, 이는 스틱니 크레이터를 생성한 충돌의 결과물이거나, 화성 표면의 충돌로 인해 우주로 방출된 물질에 의해 생성된 것으로 추정된다. 포보스는 100미터 두께의 미세 입자 레골리스 층으로 덮여 있다.
포보스의 지형은 포보스를 연구한 천문학자와 조나단 스위프트의 소설 ''걸리버 여행기''에 나오는 인물 및 장소의 이름을 따서 명명되었다.[47] 예를 들어, 포보스 최대의 크레이터는 아사프 홀의 아내인 앤젤린 스틱니를 기념하여 "스틱니"로 명명되었다.[47] 스틱니를 중심으로 포보스에는 방사형의 홈(groove)이 보이는데, 스틱니를 만든 천체의 충돌 시 충격으로 생겼다는 설과, 화성으로부터의 조석력에 의한 파괴로 생겼다는 설이 있다.
포보스에는 레기오 1개 (''라푸타 레기오'')와 평원 1개 (''라가도 평원'')가 있는데, 이 둘은 모두 걸리버 여행기에 나오는 장소의 이름을 딴 것이다.[49] (''라푸타''는 공중 섬이고, 라가도는 가상의 국가 발니바르비의 수도이다.) 포보스에 명명된 유일한 능선은 천문학자 요하네스 케플러의 이름을 딴 ''케플러 도르섬''이다.[50]
크레이터 | 직경 (km) | 참고 |
---|---|---|
클러스트릴 | 3.4 | [48] |
다레스트 | 2.1 | [48] |
드룬로 | 4.2 | [48] |
플림냅 | 1.5 | [48] |
그릴드리그 | 2.6 | [48] |
걸리버 | 5.5 | [48] |
홀 | 5.4 | [48] |
림톡 | 2 | [48] |
외피크 | 2 | [48] |
렐드레살 | 2.9 | [48] |
로슈 | 2.3 | [48] |
샤플리스 | 1.8 | [48] |
시클로프스키 | 2 | [48] |
스카이레시 | 1.5 | [48] |
스틱니 | 9 | [48] |
토드 | 2.6 | [48] |
웬델 | 1.7 | [48] |
4. 궤도 특성
포보스의 궤도 운동은 집중적으로 연구되어, 궤도 완료 측면에서 "태양계에서 가장 잘 연구된 천연 위성"이 되었다.[51] 포보스는 화성 표면에서 5989km 떨어진, 동기 궤도 반경보다 낮은 궤도를 돌고 있어, 화성 자체보다 더 빠르게 화성 주위를 돈다.[21] 포보스는 태양계 행성의 위성 중 가장 주성에 가깝다.
화성 표면에서 보면 포보스는 서쪽에서 뜨고, 약 4시간 15분 만에 하늘을 가로질러 동쪽으로 지며, 하루에 약 두 번 나타난다. 포보스는 표면에 가깝고 적도 궤도에 있기 때문에 위도 70.4° 이상에서는 지평선 위로 보이지 않는다. 포보스의 각지름은 하늘에서의 위치에 따라 다른데, 지평선에서는 약 0.14°, 천정에서는 0.20°로, 지구에서 보는 보름달의 약 1/3 크기이다. 이에 비해 태양은 화성 하늘에서 약 0.35°의 크기를 갖는다. 포보스의 위상은 0.3191일(합삭 주기) 동안 변하며, 이는 포보스의 항성 주기보다 13초 더 길다.
포보스는 화성의 조석력 때문에 1000년마다 1.8m씩 화성에 서서히 끌려가고 있다.
4. 1. 화성에서의 일식
화성 표면에서 포보스를 관측하면 포보스가 태양을 가로지르는 규칙적인 천문학적 통과 현상을 볼 수 있다. 이 현상 중 일부는 화성 탐사 로버 ''오퍼튜니티''가 촬영했고, 포보스가 화성 표면에 그림자를 드리우는 모습은 여러 우주선에 의해 촬영되었다.[52] 포보스는 태양 원반을 덮을 만큼 크지 않아 개기 일식을 일으킬 수 없다.[52]4. 2. 파괴 예측
조석 감속으로 인해 포보스의 궤도 반지름은 100년마다 약 2m씩 줄어들고 있다.[53] 궤도 반지름이 감소함에 따라 조석력에 의한 파괴 가능성이 높아져 약 3천만~5천만 년,[53][51] 또는 한 연구에 따르면 약 4300만 년 후에는 로슈 한계에 도달할 것으로 예측된다.[54]포보스는 불규칙한 모양을 가지고 있으며, 잔해 더미(Mohr–Coulomb 체)로 가정하면, 약 2.1 화성 반지름에 도달하면 조석력으로 인해 결국 파괴될 것이다.[56] 포보스가 파괴되면 화성 주위에 행성 고리가 형성될 것이며,[57] 이 고리는 100만 년에서 1억 년 동안 지속될 수 있다. 고리를 형성할 포보스 질량의 비율은 포보스의 알려지지 않은 내부 구조에 따라 달라진다. 느슨하고 약하게 결합된 물질은 고리를 형성하고, 강한 결합력을 가진 구성 요소는 조석 파괴를 피하고 화성 대기로 진입할 것이다.[58] 포보스는 3천만 년에서 5천만 년 이내에 화성과 충돌하거나 행성 고리로 붕괴될 것으로 예측된다.[59]
5. 기원
포보스와 데이모스의 기원에 대해서는 논쟁이 계속되고 있다.[60] 크게 "포획설"과 "거대 충돌설" 두 가지 가설이 있다.
포획설은 포보스와 데이모스가 화성의 중력에 포획된 소행성이라는 가설이다. 두 위성은 탄소질 C형 소행성과 전자기 스펙트럼, 알베도, 밀도가 매우 유사하다는 특징을 보인다.[61] 실제로 포보스의 가시-근적외선 반사 스펙트럼은 붉은색 부분은 D형 소행성, 푸른색 부분은 T형 소행성과 유사하다.[125] 만약 포보스가 소행성 기원이라면 낮은 밀도는 내부에 공극이나 얼음을 포함하고 있을 가능성을 시사한다. 하지만 포보스와 데이모스는 궤도가 매우 원형에 가깝고 화성의 적도면과 거의 일치한다. 따라서 포획설은 초기에 매우 이심률이 높은 궤도를 원형화하고, 궤도 경사각을 적도면에 맞추는 메커니즘을 필요로 한다. 이는 대기 항력과 조석력의 조합으로 가능할 수 있지만,[64] 데이모스의 경우 충분한 시간이 있었는지 불분명하다.[60] 제프리 A. 랜디스는 원래 천체가 조석력에 의해 분리된 이중 소행성이었다면 포획이 발생했을 수 있다고 지적했다.[63][65]
거대 충돌설은 화성에 거대한 천체가 충돌한 후 생성된 파편들이 다시 모여 포보스가 형성되었다는 가설이다. 이는 달의 거대 충돌설과 유사하며,[125] 정돈된 궤도를 설명할 수 있다는 장점이 있다. 포보스는 화성이 형성된 후 궤도에서 합체된 태양계 2세대 천체일 수 있다.[66] 또 다른 가설은 화성이 한때 많은 포보스와 데이모스 크기의 물체로 둘러싸여 있었고, 큰 미행성체와의 충돌로 인해 궤도로 튕겨져 나갔을 수 있다는 것이다.[67] 하지만, 포보스 내부의 높은 공극률(1.88 g/cm3의 밀도를 기반으로, 공극은 포보스 부피의 25~35%를 차지하는 것으로 추정)은 소행성 기원과 일치하지 않는다.[68] 열적외선에서의 포보스 관측은 주로 화성 표면에서 잘 알려진 엽상 규산염을 포함하는 조성을 시사하며, 스펙트럼은 모든 종류의 콘드라이트 운석과 구별되어 소행성 기원에서 벗어난다는 것을 보여준다.[69]
최근 연구에서는 포보스와 데이모스가 10억~27억 년 전 공통 모체의 파괴로부터 태어났다는 가설도 제시되었다. 화성 인사이트 미션 등에서 얻은 지진 및 궤도 데이터를 분석한 결과, 두 위성의 공통 조상이 다른 물체에 의해 충돌하여 산산조각나 두 위성을 형성했을 가능성이 높다는 것이다.[72]
두 가설 모두 추측과 시뮬레이션에 의한 것이며, 샘플 리턴을 통한 구성 물질 분석이 필요하다.
6. 탐사
포보스는 화성을 주요 임무로 하는 여러 우주선에 의해 근접 촬영되었다. 1969년 마리너 7호를 시작으로, 1971년 마리너 9호, 1977년 바이킹 1호, 1989년 포보스 2호[73], 1998년과 2003년 화성 탐사선, 2004년, 2008년, 2010년[74] 및 2019년 화성 익스프레스, 2007년과 2008년 화성 정찰 궤도선 등이 포보스를 촬영했다. 특히 1971년 매리너 9호는 포보스의 선명한 모습을 처음으로 촬영했다. 2005년 8월 25일, 스피릿 로버는 화성 표면에서 포보스와 데이모스를 촬영하기도 했다.[75]
1980년대 소련은 포보스 탐사 계획을 세우고 1988년에 포보스 프로그램의 일환으로 두 대의 탐사선을 발사했다. 포보스 1호는 1988년 9월 지상 관제소의 잘못된 명령으로 인해 중단되었고, 포보스 2호는 1989년 1월 화성 궤도에 도착하여 포보스 표면 조사 직전 소량의 데이터와 이미지를 전송한 후 통신이 두절되었다.[73] 포보스 2호는 포보스에서 극소량의 기체가 안정적으로 분출되는 것을 발견했는데, 이는 수증기로 추정된다.
2020년 7월 1일, 인도 우주 연구 기구의 화성 궤도선은 4,200 km 떨어진 곳에서 포보스를 촬영했다.[80]
6. 1. 계획된 임무
일본 우주항공연구개발기구(JAXA)의 화성 달 탐사(MMX)는 2026년에 발사될 예정인 샘플 반환 임무이다.[99] 이 임무는 포보스에 착륙하여 샘플을 채취하고 데이모스를 관측할 계획이다.[98] NASA, ESA, DLR, CNES[100] 등 국제 협력을 통해 진행되며, 과학 기기를 제공할 예정이다.[101][102] 미국은 중성자 및 감마선 분광계(NGRS)를, 프랑스는 근적외선 분광계(NIRS4/MacrOmega)를 제공할 것이다.[99][103] 우주선은 코어 드릴 샘플링 메커니즘을 사용하여 최소 10g의 샘플을 채취할 예정이다.[99]MMX는 원래 2024년 발사, 2025년 화성권 도착, 2029년 지구 귀환을 상정하고 있었으나,[126][127] H3 로켓 초호기 발사 실패의 영향으로 발사 일정이 연기되었다. 새로운 발사 일정은 2026년 10월 발사, 포보스 선회 및 관측, 탐사차 착륙, 탐사선 착륙에 필요한 계측 실시, 탐사선 2회 착륙 및 시료 채취, 데이모스 통과 및 관측, 2030년 11월 화성권 이탈, 2031년 7월 지구 귀환이다.[128]
러시아는 2020년대 후반에 포보스-그룬트 임무를 다시 시도할 계획을 가지고 있다.[108] 2011년에 발사된 러시아의 탐사선 포보스-그룬트는 포보스로부터의 샘플 채취를 계획했지만, 지구 궤도 이탈에 실패하여 대기권 재진입했다.
유럽 우주국은 샘플 반환 임무인 Phootprint를 평가하고 있다.[109]
7. 포보스 인공 천체설 (과거의 가설)
1950년대부터 1960년대에 걸쳐 포보스의 특이한 궤도와 낮은 밀도 때문에 "포보스는 속이 빈 인공 천체가 아닌가"하는 설이 제기되었다.
1958년경, 포보스의 공전에 대한 영년 가속을 연구하던 소련의 우주 물리학자 요시프 시클로프스키는 포보스가 "얇은 금속판" 구조라고 주장했는데, 이는 포보스가 인공적인 기원을 가졌음을 시사하는 것이었다.[129] 시클로프스키는 화성의 상층 대기 밀도 추정치를 바탕으로, 미약한 제동 효과로 포보스의 영년 가속을 설명하려면 포보스가 매우 가벼워야 한다고 추론했다. 어떤 계산에 따르면 지름 16km, 두께 6cm 미만의 속이 빈 철구였다.[130]
이 가설은 미국에도 전해져 아이젠하워 대통령의 과학 고문을 맡았던 프레드 싱어는 천문학 잡지 'Astronautics' 1960년 2월호에서 시클로프스키 설을 지지하며, "포보스의 목적은 아마 화성인들이 그들의 행성 주위에서 안전하게 활동할 수 있도록 화성 대기의 방사선을 흡수하는 것일 것이다"라는 데까지 비약시켰다. 또한 시클로프스키와 친했던 칼 세이건과 프레드 호일도 인공적인 요소를 지적했다.
하지만 이후 영년 가속에 대한 의문이 제기되었고[131], 1969년까지 이 문제는 해결되었다.[132] 초기 연구에서는 궤도 고도 저하 속도를 5cm/년이라는 과도한 값을 사용했지만, 이후 1.8cm/년으로 수정되었다. 현재는 영년 가속은 당시 고려되지 않았던 조석 효과의 결과라고 여겨지고 있다. 또한 포보스의 밀도는 1.9g/cm3로 측정되었으며, 이는 속이 빈 껍질이라는 설과 모순된다.
더욱이 1970년대 바이킹 탐사선에 의해 촬영된 포보스의 사진은 명백히 천연 천체이며 인공물이 아님을 보여주었다.
8. 포보스를 다룬 작품
포보스는 1956년 퐁트네이가 소설에서 처음 논의한 것처럼,[116] 미래의 우주 엘리베이터 건설 후보지로 제안되었다. 이는 두 쌍의 우주 엘리베이터를 포함한다. 하나는 화성을 향하는 쪽에서 화성 대기권 가장자리까지 6000km 뻗어있고, 다른 하나는 반대편에서 6000km 뻗어 화성에서 멀어진다. 화성 표면에서 하부 우주 엘리베이터로 발사되는 우주선은 0.52km/s의 델타-v만 필요하며, 이는 화성 저궤도로 발사하는 데 필요한 3.6km/s 이상과 대조된다. 우주선은 전력을 사용하여 들어 올려지고, 상부 우주 엘리베이터에서 2.6km/s의 쌍곡선 속도로 방출될 수 있으며, 이는 지구에 도달하고 소행성대에 도달하는 데 필요한 속도의 상당 부분을 차지하기에 충분하다. 우주 엘리베이터는 또한 우주선이 화성 시스템에 진입하는 데 도움이 되도록 역으로 작동할 수 있다. 포보스의 엄청난 질량은 우주 엘리베이터 작동으로 인한 모든 힘이 궤도에 미치는 영향이 미미하다는 것을 의미한다. 또한, 포보스의 재료는 우주 산업에 사용될 수 있다.[117]
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