지구 이외의 행성에서는 처음으로 화성 대기에서 산소를 나타내는 녹색 빛이 감지됐다.

화성 대기 산소를 나타내는 빛나는 녹색 광선은 2016년 10월 이후 화성을 선회한 ESA(European Space Agency)의 화성 궤도 탐사선 ExoMars Trace Gas Orbiter(TGO)에 의해 화성에서 처음으로 감지됐다.

지구상에서 행성 간 공간의 에너지 전자가 상부 대기에 부딪히면 극지 오로라를 형성, 빛나는 산소가 생성된다. 이 산소로 인한 빛 방출은 북극 오로라에 아름답고 독특한 녹색 색조를 띈다. 그러나 오로라는 행성의 대기가 밝아지는 한 가지 방법일 뿐이다. 지구와 화성을 포함한 행성의 대기는 햇빛이 대기 내의 원자 및 분자와 상호 작용함에 따라 낮과 밤 모두 지속적으로 빛난다.

국제 우주 정거장에서 지구 대기권 녹색광 관측. credit : ESA.

주간 및 야간 광선은 약간 다른 메커니즘으로 인해 발생한다. 야간 광선은 파손된 분자가 재결합할 때 발생하지만, 주간 광선은 태양의 빛이 질소 및 산소와 같은 원자와 분자를 직접 여기 할 때 발생한다.

지구상에서 녹색 야간 광선은 매우 희미하다. 국제 우주 정거장(ISS)에 탑승한 우주 비행사들이 촬영한 많은 멋진 이미지에서 묘사 된 것처럼 ‘가장자리를 향한’ 관점에서 보면 가장 잘 보인다.

네이처 에스트로노미(Nature Astronomy)에 발표 된 새로운 연구의 수석 저자 장 클로그 게랄드(Jean-Claude Gérard, 벨기에 Université de Liège)는 “지구에서 가장 밝은 방출 중 하나는 야간 광선에서 비롯된다. 보다 구체적으로, 다른 행성에서는 볼 수없는 특정 파장의 빛을 방출하는 산소 원자에서 비롯된다. 이 방출은 약 40년 동안 화성에서 존재할 것으로 예측됐으며 TGO 덕분에 이를 발견했다”고 말했다.

연구팀은 TGO의 특수 관측 모드를 사용해 이 방출을 발견할 수있었다. NOMAD(Mars Discovery의 Nadir and Occultation for Mars Discovery)라고 알려진 궤도선의 고급 계측기 중 하나인 자외선 및 가시 광선 분광계 (UVIS)를 포함하여 다양한 구성으로 관찰할 수 있다.

ESA의 ExoMars Trace Gas Orbiter는 화성 대기에서 빛나는 녹색 산소를 감지했다.이 방출이 지구 이외의 행성에서 처음으로 발견됐다. 2019 년 4 월에서 12 월 사이에 UVIS 채널을 사용해 TGO의 NOMAD 기기로 얻은 관측치는 고도의 함수로 녹색 점으로 표시되며 이론적 모델 (빨간색 선)과 비교된다. 산소 녹색 일광은 80km에서 가장 밝고 120km 부근의 두 번째 피크에 도달하고 150km 이상 사라진다. credit: J.-C. Gérard.(2020)

행성 대기의 빛을 연구하면 대기의 구성과 역학에 대한 풍부한 정보를 제공할 수 있으며, 태양의 빛과 태양풍(별에서 나오는 하전 입자의 흐름)에 의해 에너지가 어떻게 축적되는지 알 수 있다.

장 끌로드는 “이 배출을 모델링해 주로 이산화탄소(CO2)가 구성 요소인 일산화탄소와 산소로 분해됨에 따라 생성되는 것을 발견했다. 우리는 가시 산소와 자외선 모두에서 산소 원자가 빛을 발하는 것을 보았다”고 말했다.

이 두 종류의 방출을 동시에 비교하면 가시광선 방출이 자외선보다 16.5 배 더 강하다는 것을 알 수 있다.

화성 대기의 특성을 이해하는 것은 과학적으로 흥미로울뿐만 아니라 화성 유인 탐사 임무를 수행하는 데 중요하다.

연구진에 따르면 대기 밀도는 위성 궤도와 화성 표면으로 프로브를 배치하는 데 사용되는 낙하산에 의해 발생하는 항력에 직접 영향을준다.대기 밀도 변화를 예측하는 것은 특히 붉은 행성의 표면을 탐험하기 위해 로버 및 표면 과학 플랫폼을 보낼 ‘ExoMars 2022’ 임무를 포함해 추가 임무에 특히 중요하다.

* J.-C. Gérard et al. Detection of green line emission in the dayside atmosphere of Mars from NOMAD-TGO observations, Nature Astronomy (2020). DOI: 10.1038/s41550-020-1123-2