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히포캠프 (위성)

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1. 개요

히포캠프는 2013년 7월 1일 SETI 연구소의 마크 쇼월터가 허블 우주 망원경 사진을 분석하던 중 발견한 해왕성의 위성이다. S/2004 N 1이라는 임시 명칭으로 불리다가 2019년 2월에 히포캠프라는 이름으로 명명되었다. 이 위성은 그리스 신화 속 반마 반어의 생물인 히포캄푸스의 이름을 따왔으며, 해왕성의 가장 큰 위성인 트리톤 포획 과정에서 파편이 모여 형성되었거나, 프로테우스의 충돌로 생성된 파편에서 기원했을 가능성이 제기된다. 히포캠프는 해왕성을 22시간 28분 6초 주기로 공전하며, 궤도이심률과 궤도 경사가 0에 가깝다.

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히포캠프 (위성)
기본 정보
2009년 허블 이미지 합성. 해왕성, 고리, 히포캠프 (원으로 표시) 및 내부 위성이 보인다. 해왕성의 색상 이미지는 2009년 8월 허블에서 별도로 촬영했다. 위성의 상대적 밝기는 고/저 노출 이미지 합성에 의해 과장되었다.
MPC 명칭해왕성 XIV
다른 이름S/2004 N 1
명명 유래히포캄포스
형용사히포캄피안
발견발견자: M. R. 쇼월터, I. de Pater, J. J. 리사우어, R. S. French
발견일: 2013년 7월 1일
최초 관측일: 2004년 11월 6일
궤도 특성
모행성해왕성
궤도 긴반지름105,283 km
궤도 이심률0.00084
궤도 주기0.95일 (22시간 48분)
평균 궤도 경사0.0641° (해왕성 적도 기준)
0.0019° (국부 라플라스 면 기준)
승교점 경도110.467°
근일점 인수305.446°
평균 이각329.901°
물리적 특성
평균 반지름17.4 km
질량1.029e+15 ~ 3.087e+16 kg
자전동기 자전
추정 알베도0.09
겉보기 등급26.5

2. 발견

히포캠프2013년 7월 1일 SETI 연구소의 마크 쇼월터가 이끄는 천문학자 팀에 의해 발견되었다.[3][8][9] 연구팀은 허블 우주망원경해왕성의 고리를 촬영한 사진들을 분석하던 중 우연히 이 위성을 발견했으며,[3][8][9] 이는 2003년 프사마테 이후 처음으로 발견된 해왕성의 14번째 위성이다.[3][11]

2. 1. 발견 경위

마크 쇼월터는 2013년 7월 1일 허블 우주망원경이 촬영한 해왕성의 고리 사진들을 분석하던 중 우연히 새로운 위성을 발견했다.[3][8][9] 당시 SETI 연구소 소속 연구팀을 이끌던 쇼월터는 원래 해왕성 고리 구조 연구를 위해 2009년 허블 이미지를 검토하고 있었다.

쇼월터는 해왕성의 내부 위성과 고리들이 빠르게 공전한다는 점에 착안하여, 여러 장의 짧은 노출 이미지를 디지털 방식으로 변형하고 중첩하는 패닝과 유사한 기법을 개발하여 사용했다. 이 기법은 여러 사진을 합쳐 공전 운동을 상쇄함으로써 희미한 천체의 모습을 효과적으로 드러낼 수 있게 했다.[3][8][9] 그는 분석 범위를 고리 너머까지 확장하기로 결정했고[10], 그 결과 '제법 또렷한 점'으로 나타난 히포캠프를 찾아냈다.[3]

발견 사실을 검증하기 위해 쇼월터는 2004년까지 거슬러 올라가는 150장 이상의 허블 우주망원경 아카이브 이미지를 추가로 분석했다. 그는 일주일 안에 이 이미지들에서 히포캠프를 반복적으로 확인했으며, 2004년부터 2009년까지 총 10번의 다른 관측 시점에서 위성의 존재를 식별하는 데 성공했다.

1989년 해왕성을 근접 통과하며 내부 위성들을 관측했던 보이저 2호의 이미지도 확인했지만, 히포캠프는 너무 어두워서 당시 기술로는 감지되지 않았다.[3] 그러나 허블 이미지 아카이브 자료만으로도 히포캠프의 궤도를 정확히 결정하기에는 충분했다.

히포캠프의 발견은 2013년 7월 15일 국제 천문 연맹(IAU)의 중앙 천문 전보국(CBAT)과 우주 망원경 과학 연구소(STScI)를 통해 공식적으로 발표되었다. 발견에 사용된 허블 이미지는 이미 일반에 공개되어 있었기 때문에, 원칙적으로는 누구나 발견할 수 있었을 가능성이 있었다고 쇼월터는 언급했다.

이 위성에는 '''S/2004 N 1'''이라는 임시 명칭이 부여되었다. 발견 자체는 2013년에 이루어졌지만, 2004년에 촬영된 이미지에서 처음으로 그 존재가 확인되었기 때문에 임시 명칭에 2004년이 사용되었다. 히포캠프는 2003년 프사마테가 확인된 이후 처음으로 발견된 해왕성의 14번째 위성이다.[3][11]

2. 2. 보이저 2호의 탐사

히포캠프의 발견자인 마크 쇼월터는 1989년 보이저 2호 우주선이 해왕성에 근접 비행하며 촬영한 이미지를 확인하여, 당시에 히포캠프를 포착했는지 조사했다. 하지만 히포캠프는 ''보이저 2호''의 카메라 성능으로는 감지하기 어려울 정도로 매우 희미했기 때문에, 당시 촬영된 이미지에서는 위성을 식별할 수 없었다.

3. 명칭

이 위성은 발견 발표 후 임시 명칭 S/2004 N 1을 부여받았다. 이 명칭은 2004년에 촬영된 사진에서 처음 확인된 해왕성의 위성이라는 의미이다. 이후 후속 관측을 통해 2018년 9월 25일 소행성 센터로부터 영구적인 로마 숫자 지정인 '''해왕성 XIV'''(Neptune XIV)를 부여받았다.

국제천문연맹(IAU)의 명명 지침에 따르면, 해왕성의 위성 이름은 그리스-로마 신화 속 바다의 신 포세이돈이나 넵투누스와 관련된 인물의 이름이어야 한다. 발견팀은 이 지침에 따라 명칭 후보를 찾았으며, 한때 포세이돈과 토사의 아들인 외눈박이 거인 키클롭스 폴리페모스가 후보로 고려되기도 했다.[28]

발견팀 리더인 마크 쇼월터(Mark Showalter)는 스쿠버 다이빙해마에 대한 개인적인 관심에서 영감을 받아, 그리스 신화에 등장하는 상체는 , 하체는 물고기인 신화 속 생물 히포캄포스의 이름을 따 '''히포캠프'''(Hippocamp)라는 이름을 제안했다.[29] 해마학명인 ''Hippocampus'' 역시 신화 속 히포캄포스에서 유래했다. 국제천문연맹은 2019년 2월 20일 이 이름을 공식 승인했다.[30]

신화 속 히포캄포스는 그리스의 바다 신 포세이돈과 로마의 바다 신 넵투누스를 상징하는 생물로, 로마 신화에서는 넵투누스가 히포캄포스가 끄는 바다 전차를 타는 모습으로 묘사되기도 한다.

4. 기원

히포캠프의 기원은 아직 명확하게 밝혀지지 않았으며, 크게 두 가지 가설이 제시되고 있다.

첫 번째 가설은 해왕성이 카이퍼 대에서 거대 위성 트리톤을 포획하는 과정과 관련이 있다. 트리톤의 포획은 기존 해왕성 위성계에 큰 혼란을 일으켜 위성 간 충돌과 파괴를 유발했으며, 이때 발생한 파편들이 다시 뭉쳐 히포캠프를 포함한 현재의 안쪽 위성들을 형성했다는 것이다.[12][13][14]

두 번째 가설은 히포캠프가 자신보다 안쪽 궤도를 돌며 훨씬 큰 위성인 프로테우스로부터 유래했다는 설명이다. 과거 프로테우스에 거대한 혜성 충돌 사건이 발생하여 큰 충돌구인 파로스가 생겼는데, 이때 프로테우스에서 떨어져 나온 파편들이 모여 히포캠프를 형성했다는 것이다.[15][5] 이 가설은 프로테우스에 있는 거대한 충돌구와 히포캠프의 상대적으로 가까운 공전 궤도를 근거로 한다. 이 시나리오에 따르면 히포캠프는 트리톤 포획 이후 재편성된 위성(프로테우스)에서 다시 파생된 '3세대 위성'으로 볼 수 있다.

4. 1. 트리톤 포획 가설

해왕성의 가장 큰 위성트리톤은 다른 위성들과는 달리 행성을 반대 방향으로 공전하며, 그 궤도 또한 해왕성의 적도면에 대해 기울어져 있다. 이러한 특징은 해왕성이 자체 위성계를 형성한 이후 카이퍼 대에 있던 트리톤을 포획했을 것이라는 가설로 이어진다. 이 포획 사건은 기존 해왕성 위성들의 궤도에 큰 혼란을 야기했을 것으로 추정된다. 일부 위성은 해왕성의 중력권을 벗어나 튕겨나가고, 다른 위성들은 서로 충돌하여 파괴되었을 것이다.[12][13] 현재 해왕성 안쪽에 존재하는 위성들 중 적어도 일부는, 트리톤의 궤도가 조석 감속으로 인해 점차 원형으로 안정된 이후, 충돌로 인해 발생한 잔해들이 다시 강착되어 생성된 것으로 여겨진다.[14]

해왕성의 일곱 개 안쪽 위성 크기 비교


해왕성 위성계의 질량 분포는 태양계의 다른 거대 기체 행성 위성계와 비교했을 때 매우 불균형하다. 트리톤 하나가 전체 위성계 질량의 거의 대부분을 차지하며, 나머지 모든 위성들의 질량을 합해도 전체의 1%의 3분의 1 수준에 불과하다. 이러한 질량 불균형은 트리톤이 해왕성 고유의 위성계가 형성된 후 오랜 시간이 지나 카이퍼 대에서 포획되었기 때문으로 설명된다. 이 과정에서 기존 위성계의 대부분이 파괴되었을 가능성이 높다. 포획 당시 트리톤의 궤도는 궤도 이심률이 매우 높은 찌그러진 형태였을 것으로 추정되며, 이로 인해 원래 존재했던 해왕성 안쪽 위성들의 궤도에 큰 섭동을 일으켰을 것이다. 이 과정에서 일부 위성들은 해왕성계를 탈출하고, 다른 위성들은 서로 충돌하여 산산조각 났을 것으로 보인다. 현재 해왕성의 안쪽 위성들 중 적어도 일부는 트리톤의 궤도가 조석력으로 원형화된 후, 그 과정에서 발생한 파편들이 다시 강착된 것으로 생각된다.

4. 2. 프로테우스 기원 가설

히포캠프의 기원에 대한 또 다른 주요 가설은, 가장 가까우면서 훨씬 큰 위성인 프로테우스에서 떨어져 나온 파편으로 만들어졌다는 것이다.[15][5] 이 파편은 프로테우스에서 가장 큰 파로스 크레이터를 만든 혜성 충돌 사건에서 분출된 것으로 추정된다.[15][5] 파로스 크레이터의 직경은 약 250km로, 프로테우스 자체 직경의 절반이 넘는다. 이처럼 거대한 크레이터의 크기는 당시 충돌이 프로테우스를 거의 파괴할 뻔했으며 상당한 양의 파편을 우주 공간으로 방출했음을 시사한다.

히포캠프의 공전 궤도는 프로테우스와 상대적으로 가깝다. 두 위성 사이의 거리는 약 12000km이며,[15] 장반경의 차이는 10%에 불과하다. 이는 두 위성이 과거에 같은 위치에서 기원했을 가능성을 보여준다. 각 위성의 궤도 이동 속도를 고려하면, 과거에는 두 위성이 지금보다 훨씬 더 가까웠을 것으로 추정된다. 일반적으로 크기가 다른 두 천체가 가까이 있다면 작은 쪽이 방출되거나 큰 쪽에 충돌하는 경향이 있지만, 히포캠프와 프로테우스의 경우에는 그렇지 않았다.

이러한 증거들을 바탕으로, 발견자인 마크 쇼월터와 그의 동료들은 히포캠프가 파로스 크레이터를 형성한 혜성 충돌로 인해 프로테우스에서 방출된 파편에서 기원했을 수 있다고 주장했다. 이 시나리오에 따르면, 히포캠프는 트리톤의 포획 이후 재편성된 해왕성의 정규 위성들 사이에서 일어난 충돌로부터 기원한, 이른바 '3세대 위성'으로 여겨질 수 있다. 해왕성의 정규 위성들은 과거 혜성 충돌로 인해 여러 차례 파괴되었을 것으로 추정되며, 프로테우스는 파로스 충돌 사건으로 거의 파괴될 뻔했지만 살아남았다. 충돌로 방출된 파편 중 일부는 프로테우스 궤도 안쪽 1000km에서 2000km의 안정적인 궤도에 정착하여 뭉쳐지면서 히포캠프가 형성되었을 것이다. 그러나 현재 히포캠프의 부피는 파로스 충돌 사건으로 인해 프로테우스에서 떨어져 나갔을 것으로 추정되는 물질 총량의 약 2%에 불과하며, 나머지 파편이 어디로 갔는지는 아직 불분명하다.

해왕성의 다른 작은 내부 위성들처럼, 히포캠프 역시 프로테우스 파편에서 형성된 이후에도 혜성 충돌로 인해 반복적으로 파괴되고 다시 뭉쳐지는 과정을 겪었을 것으로 추정된다. 프로테우스에 큰 크레이터가 형성되는 빈도를 바탕으로 계산하면, 히포캠프는 지난 40억 년 동안 약 9번 정도 파괴되고 재형성되었을 수 있다. 이러한 반복적인 파괴와 재형성 과정은 위성의 궤도 이심률과 경사를 줄여, 프로테우스와의 근접성에도 불구하고 히포캠프가 현재 거의 원형에 가까운 궤도를 도는 이유를 설명한다. 또한 이 과정에서 히포캠프가 질량의 일부를 잃었을 가능성이 있으며, 이는 파로스 충돌 사건으로 방출된 누락된 물질 부피의 일부를 설명할 수 있다. 프로테우스는 이후 해왕성과의 조석 상호 작용으로 인해 형성 초기 위치보다 11000km 이상 바깥쪽으로 이동했지만, 히포캠프는 크기가 작아 이동 속도가 느렸기 때문에 형성되었던 초기 위치에 비교적 가까이 남아 있다.

5. 물리적 속성



히포캠프는 해왕성의 두 번째로 작은 위성이며, 직경은 약 34.8km로 추정된다. 이는 가설상의 조상 위성인 프로테우스보다 질량은 약 1,000배, 부피는 약 4,000배 작은 값이다. 히포캠프의 추정 겉보기 등급은 26.5인데, 이를 바탕으로 초기에는 직경이 약 16km에서 20km 정도로 추정되었으나, 최근 관측을 통해 약 34.8km로 수정되었다.[15] 이는 2004년부터 2016년까지 허블 우주 망원경으로 관측한 데이터를 분석하고, 다른 해왕성 위성들과 유사한 기하 알베도 값 0.09를 가정한 결과로, 평균 반지름은 17.4km ± 2km로 계산되었다. 그럼에도 불구하고 히포캠프는 해왕성의 내부 규칙 위성들 중에서는 확연히 가장 작은 위성이다.[15]

히포캠프의 표면은 해왕성의 다른 내부 위성들과 마찬가지로 '더러운 아스팔트'처럼 매우 어두울 것으로 추정된다.[3] 이 위성들의 기하 알베도는 0.07에서 0.10 사이이며, 평균값은 약 0.09이다.[17] 허블 우주 망원경의 NICMOS 장비를 이용한 근적외선 관측 결과, 해왕성의 큰 내부 위성들 표면에서 작은 해왕성 외 천체의 특징과 유사한 어둡고 불그스름한 물질이 발견되었다.[18][19] 이 데이터는 표면에 C-H 및/또는 C≡N 결합을 포함하는 유기 화합물이 존재할 가능성과 일치하지만, 분광 해상도가 낮아 특정 분자를 식별하지는 못했다.[19] 태양계 외곽 천체에 풍부할 것으로 예상되는 물의 얼음은, 작은 천왕성의 위성들과는 달리, 히포캠프를 포함한 해왕성 내부 위성들의 스펙트럼에서는 뚜렷한 신호가 관측되지 않았다.[19]

6. 공전 특성

해왕성 위성들의 궤도를 트리톤까지 표시한 그림. 히포캠프의 궤도는 적색으로 강조했다.


히포캠프는 해왕성을 22시간 28분 6초(0.9362일)마다 한 번씩 순행 궤도로 공전한다.[3] 이때 궤도 긴반경은 105283km이며, 이는 지구-까지 거리의 4분의 1을 약간 넘는 수준이고, 해왕성 반지름의 약 4.3배, 해왕성 고리 평균 반지름의 약 두 배에 해당한다.[3] 히포캠프 궤도의 궤도이심률과 궤도 경사는 거의 0에 가깝다.[3]

히포캠프는 라리사프로테우스의 궤도 사이에 위치하며, 해왕성의 규칙 위성 중 행성으로부터 두 번째로 멀리 떨어져 있다.[20] 일반적으로 해왕성의 규칙 위성들은 행성에서 멀어질수록 크기가 커지는 경향을 보이지만, 히포캠프는 상대적으로 바깥쪽에 있음에도 불구하고 크기가 작아 이러한 경향에서 벗어난다.[20]

자신보다 훨씬 큰 위성인 프로테우스와 비교적 가까운 거리를 공전하기 때문에, 히포캠프는 프로테우스로부터 상당한 중력적 영향을 받는다. 히포캠프의 궤도는 프로테우스의 질량에 특히 민감하게 반응하는데, 프로테우스의 질량을 다르게 가정하여 계산하면 히포캠프의 궤도가 약 100km까지 차이가 날 수 있다. 이를 통해 수십 년간 히포캠프의 궤도를 관측하여 프로테우스의 질량을 추정할 수 있을 것으로 기대된다.

현재 히포캠프는 여러 위성들과 궤도 공명 관계에 있거나 가까운 상태이다.

  • '''라리사와의 관계''': 히포캠프와 라리사의 공전 주기는 3:5 궤도 공명에 약 1% 이내로 가깝다.[21]
  • '''프로테우스와의 관계''': 히포캠프와 프로테우스는 거의 11:13 평균 운동 공명 상태에 가까우며, 이는 히포캠프가 프로테우스의 질량에 민감하게 반응하는 이유일 수 있다. (일부 연구에서는 5:6 공명에 0.1% 이내로 가깝다고 보기도 한다.) 과거 라리사와 프로테우스는 수백만 년 또는 수억 년 전에 1:2 평균 운동 공명을 겪었을 것으로 추정된다.[23][24]


히포캠프와 프로테우스는 해왕성의 동기 궤도(해왕성 자전 주기는 약 0.67일 또는 16.1시간[25]) 바깥쪽을 돌고 있어, 지구처럼 조석력(조석 가속)에 의해 점차 바깥쪽으로 밀려나고 있다.[23] 반면, 라리사는 동기 궤도 안쪽을 돌고 있어 조석 감속으로 인해 점차 안쪽으로 이동하고 있다.[23] 프로테우스는 히포캠프보다 질량이 훨씬 크기 때문에 해왕성과의 조석 상호작용이 더 강하며, 따라서 히포캠프보다 더 빠른 속도로 바깥쪽으로 이동하고 있다. 이러한 궤도 이동 속도를 바탕으로 계산하면, 프로테우스는 약 1800만 년 후 해왕성으로부터 약 40km 더 멀어지면서 히포캠프와 정확한 11:13 공명 상태에 들어갈 것으로 예측된다.

참조

[1] 사전 Hippocamp http://www.lexico.co[...] Oxford University Press
[2] 서적 Invocation to Neptune https://books.google[...] New York 1899
[3] 웹인용 Planetary Satellite Discovery Circumstances http://ssd.jpl.nasa.[...] Jet Propulsion Lab 2013-07-17
[4] 뉴스 Neptune's Newest Moon http://www.skyandtel[...] 2017-06-12
[5] 뉴스 Tiny Neptune Moon Spotted by Hubble May Have Broken from Larger Moon https://www.nasa.gov[...] 2019-02-20
[6] 웹인용 Hubble Finds New Neptune Moon http://hubblesite.or[...] Space Telescope Science Institute 2013-07-15
[7] 웹인용 Nasa's Hubble telescope discovers new Neptune moon https://www.bbc.co.u[...] 2013-07-16
[8] 웹인용 How to Photograph a Racehorse ...and how this relates to a tiny moon of Neptune http://cosmicdiary.o[...] Mark Showalter's blog 2013-07-16
[9] 웹인용 Neptune's strange new moon is first found in a decade https://www.newscien[...] New Scientist 2013-07-18
[10] 뉴스 Astronomer finds new moon orbiting Neptune https://www.reuters.[...] 2013-07-16
[11] 간행물 "S/2002 N 4" http://www.minorplan[...] 2003-09-30
[12] 저널 Neptune's story 1989
[13] 저널 Neptune's capture of its moon Triton in a binary–planet gravitational encounter 2006-05-11
[14] 저널 A dynamical history of the inner Neptunian satellites 1992-10
[15] 저널 The seventh inner moon of Neptune
[16] 웹인용 Hubble helps uncover origin of Neptune’s smallest moon Hippocamp https://www.spacetel[...] 2019-02-21
[17] 저널 Sizes, shapes, and albedos of the inner satellites of Neptune
[18] 저널 Astrometry and Near-Infrared Photometry of Neptune's Inner Satellites and Ring Arcs 2002-03
[19] 저널 Hubble Space Telescope NICMOS Multiband Photometry of Proteus and Puck 2003-08
[20] 웹인용 A Guide to Planetary Satellites http://www.skyandtel[...] Sky & Telescope 2013-07-17
[21] 문서
[22] 저널 Orbits and resonances of the regular moons of Neptune 2020-03
[23] 저널 Orbital resonances in the inner neptunian system: I. The 2:1 Proteus–Larissa mean-motion resonance 2007-06
[24] 저널 Orbital resonances in the inner neptunian system: II. Resonant history of Proteus, Larissa, Galatea, and Despina 2008-01
[25] 웹인용 Neptune Fact Sheet http://nssdc.gsfc.na[...] NASA 2013-07-18
[26] 웹인용 Hubble images show a Neptune moon that may have been repeatedly reborn https://arstechnica.[...] 2019-02-20
[27] 웹인용 Planet and Satellite Names and Discoverers http://planetaryname[...] USGS Astrogeology 2013-07-18
[28] 뉴스 Astronomers throw open the doors to the public-naming of planets https://www.independ[...] 2013-08-16
[29] 뉴스 'Breakneck speed' mini moon hurtles around Neptune at 20,000mph https://www.theguard[...] 2019-02-20
[30] 웹인용 Scientists reveal Neptune's tiny new moon, Hippocamp https://www.cbc.ca/n[...] 2019-02-20



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