유로파

유로파의 얼음 아래에 바다가 있다고 보는 근거는 무엇일까?

탐사선이 유로파의 얼음을 뚫거나 바다를 직접 촬영한 적은 없다. 대신 충돌구가 적고 갈라진 표면, 목성의 자기장 변화에 맞춰 유로파에서 생기는 두 번째 자기장, 목성의 중력으로 위성 전체가 반복해서 휘어지는 현상이 같은 결론을 가리킨다. 이 가운데 가장 강한 증거는 전기가 통하는 짠 액체가 내부에 있음을 보여 주는 자기장 측정이다.

유로파는 지구의 달보다 조금 작은 목성의 위성이다. 겉은 물로 된 얼음이 덮고 있지만, 여러 관측을 함께 설명하려면 그 아래에 위성 전체를 감싼 바다가 있어야 한다. 과학자들은 바다의 깊이를 약 60~150km로 추정한다. 다만 이 수치는 직접 잰 값이 아니라 표면 지형과 자기장, 내부 열을 함께 설명하는 모형에서 얻은 범위다.

• 지름 약 3,100km 지구의 달보다 조금 작은 유로파의 크기
• 약 3.55일 유로파가 목성을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간
• 지구 바닷물의 2배 이상 내부 모형으로 추정한 유로파 전체 물의 양
• 49회 Europa Clipper가 계획한 유로파 근접 통과 횟수

갈라진 얼음 표면은 무엇을 알려 줄까?

오랫동안 거의 변하지 않은 표면이라면 운석이 부딪쳐 만든 충돌구가 많이 남아 있어야 한다. 그러나 유로파에는 큰 충돌구가 드물다. 대신 수천 킬로미터 이어지는 균열과 나란히 솟은 두 줄의 능선이 곳곳을 가로지른다. 표면 일부에는 거대한 얼음 조각이 깨지고 방향을 바꾼 뒤 다시 언 것처럼 보이는 지형도 있다.

이 모습은 유로파의 얼음껍질이 한 번 얼어붙은 뒤 그대로 멈춰 있지 않았다는 뜻이다. 균열 사이로 비교적 따뜻한 얼음이나 액체가 올라오고, 기존 표면을 덮거나 밀어냈을 가능성이 있다. 하지만 사진만으로는 그 액체가 얕은 물주머니였는지 깊은 바다와 연결됐는지 알 수 없다. 표면 지형은 바다를 의심하게 한 첫 단서이지, 바다를 단독으로 증명하는 사진은 아니다.

자기장으로 보이지 않는 바다를 어떻게 찾을까?

목성의 자기장은 유로파가 있는 곳에서 방향과 세기가 규칙적으로 달라진다. Galileo 탐사선은 이 변화에 맞춰 유로파 근처의 자기장도 같은 주기로 달라지는 것을 측정했다. 이는 유로파 내부에 전기가 흐르는 물질이 있고, 그 안에 생긴 전류가 새로운 자기장을 만든다는 뜻이다.

순수한 얼음과 암석은 전기가 잘 통하지 않지만 소금이 녹은 물은 전기를 흐르게 한다. 그래서 관측 결과를 가장 잘 설명하는 것은 얼음 아래에 넓게 이어진 짠 바다가 있다는 모형이다. 이렇게 외부 자기장의 변화 때문에 내부에서 생기는 자기장을 ‘유도 자기장’이라고 한다.

자기장 측정도 모든 답을 주지는 않는다. 바다의 깊이와 두께, 소금의 양이 달라져도 비슷한 신호가 나타날 수 있다. 얼음껍질이 정확히 얼마나 두꺼운지 알아내려면 레이더와 중력 측정을 함께 사용해야 한다.

유로파의 바다는 물을 직접 찍은 사진으로 발견한 것이 아니다. 갈라진 얼음과 반복해서 변하는 자기장이 같은 장소를 가리키면서 가장 설득력 있는 설명이 됐다.

햇빛이 약한 곳에서 물은 어떻게 액체로 남을까?

유로파의 궤도는 완전한 원이 아니다. 이오와 가니메데가 일정한 간격으로 잡아당기기 때문에 유로파는 목성에 조금 가까워졌다가 다시 멀어진다. 그때마다 목성이 당기는 힘도 달라져 위성 전체가 늘어났다 줄어든다. 얼음과 내부 물질이 반복해서 휘어질 때 생기는 마찰열은 바다가 완전히 어는 것을 막을 수 있다.

바다 밑바닥에서 물과 암석이 맞닿는다면 생명체가 이용할 수 있는 화학 에너지가 생길 가능성도 있다. 그러나 유로파의 해저를 직접 본 적은 없으며, 뜨거운 물이 솟는 해저 분출구나 생명체도 발견하지 못했다. 액체 물과 에너지가 있을 가능성은 생명이 살 수 있는 환경을 검토할 근거이지, 생명이 있다는 증거는 아니다.

Hubble 우주망원경은 일부 관측에서 유로파 위로 수증기가 솟는 듯한 신호를 찾았지만, 다른 관측에서는 같은 현상이 확인되지 않았다. 따라서 수증기 분출은 가능한 현상으로 다루며 항상 뿜어져 나오는 분수처럼 표현하지 않는다.

Europa Clipper는 무엇을 확인하려고 할까?

Europa Clipper는 2024년 10월 지구를 떠났고 2025년 3월 화성 가까이를 지나며 속도와 방향을 바꿨다. 2026년 12월에는 지구를 한 번 더 스쳐 지나간 뒤 2030년 4월 목성에 도착할 예정이다. 우주선은 유로파만 계속 도는 대신 목성을 돌면서 유로파 가까이를 49번 지나가도록 설계됐다. 이렇게 하면 목성의 강한 방사선 속에 머무는 시간을 줄이면서 서로 다른 지역을 반복해서 측정할 수 있다.

얼음을 통과하는 레이더는 얼음껍질 안의 층과 물주머니를 찾고, 자력계는 바다가 만든 자기장 신호를 더 정확히 잰다. 우주선의 움직임으로 측정한 중력은 유로파가 얼마나 휘어지는지 알려 준다. 카메라와 분광기는 지형과 표면 물질을 함께 살핀다. 여러 장비의 결과가 같은 내부 구조를 가리키는지 비교해야 바다의 깊이와 얼음 두께를 더 정확히 알 수 있다.

Europa Clipper의 목표는 생명체를 직접 발견하는 것이 아니다. 액체 물이 있는지, 물과 암석 사이에 물질 교환이 가능한지, 생명체가 이용할 화학 성분과 에너지가 있는지를 조사한다. 즉 유로파가 생명이 살 수 있는 환경인지 판단하는 임무다.

유로파의 바다는 얼마나 확실한 결론일까?

충돌구가 적고 계속 바뀐 흔적이 있는 표면만으로는 유로파 전체를 감싼 바다를 확인할 수 없다. 자기장 하나만으로도 바다의 정확한 깊이와 소금의 양을 구분할 수 없다. 그러나 표면 지형, 유도 자기장, 반복되는 조석 가열이 서로 모순되지 않고 같은 바다 모형으로 설명된다는 점은 강한 근거가 된다.

앞으로 유로파 사진을 볼 때 길게 이어진 선과 깨진 얼음 조각을 단순한 표면 무늬로만 볼 필요는 없다. 그 지형은 얼음껍질이 움직여 온 기록이며, Galileo가 측정한 자기장은 그 아래에 전기가 통하는 액체가 있음을 알려 준다. Europa Clipper는 이 두 단서를 같은 지역에서 자세히 측정해, 아직 모형으로만 알고 있는 바다의 모습을 더 선명하게 그릴 것이다.

출처

• NASA Science — Europa Facts
• NASA Science — Evidence for an Ocean
• NASA Science — Galileo Magnetic Evidence
• Science — Galileo Magnetometer Measurements
• NASA Science — Europa Clipper
• NASA Science — Europa Clipper Mission Timeline
• NASA — Europa Clipper Mission Science
• NASA Science — Hubble Possible Water Vapor Plumes