천문학에서의 세레스(왜행성)

세레스(Ceres)는 소행성대에 있는 왜행성으로, 공식 명칭인 소행성명은 1 세레스(1 Ceres)이다. 현재 태양계의 소행성대에 존재하는 유일한 왜행성이다. 1801년 1월 1일 이탈리아의 천문학자 주세페 피아치가 발견하여, 그 후 반세기 동안 행성에 속했었다. 세레스라는 이름은 로마 신화의 농업과 곡물의 여신인 케레스에서 따왔다.

지름은 970 km 로, 소행성대에서 가장 크고 무거운 천체이다. (소행성대 전체 질량의 32%를 차지한다.) 다른 소행성은 불규칙한 모형, 약한 중력임에 반해 세레스는 관측을 통해 구(球)형임이 밝혀졌다. 표면은 물얼음과 다양한 수화물이 혼합되어 있는 것으로 추정된다. 세레스의 내부는 암석질의 핵 그리고 얼음 맨틀으로 구성되어 있으며, 표면 아래에는 물로 이루어진 바다가 존재하는 것으로 생각된다.

세레스의 겉보기등급은 +6.7 ~ +9.3 등급으로, 육안으로는 볼 수가 없다. 2007년 9월 27일, NASA에서는 4 베스타 (2011 ~ 2012), 세레스 (2015) 를 탐사하기 위하여 돈 탐사선을 발사했다.

발견

1772년, 보데는 화성과 목성 사이에 미발견된 행성이 있을 것이라고 주장했다. 그의 발상은 티티우스-보데의 법칙에서 나온 것이었다. 그 법칙을 근거로 2.8 AU 부근에 미발견된 행성이 있을 것이라 추측했다. 게다가 1781년, 윌리엄 허셜이 천왕성을 발견하여, 이 법칙에 대한 기대치가 높았다. 1800년, 티티우스와 보데는 24명의 천문학자에게 미발견된 행성의 탐색을 요청했다. 비록 그들은 세레스를 발견하지는 못 했지만, 후에 여러 소행성들을 발견했다.

여러 천문학자들 중에서 팔레르모 아카데미의 주세페 피아치가 세레스를 발견하기 위한 팀에 초대되었다. 그리고, 1801년 1월 1일에 그는 세레스를 발견했다. 그는 "니콜라 루이 드 라카유의 별 목록의 87번째 별"을 찾았다. 그러나, "그것은 다른 것보다 앞선 발견" 이었다. 별 대신에, 피아치는 움직이는, 별과 비슷한 천체를 발견했다. 그는 처음에는 이 천체를 혜성으로 생각했다. 피아치는 총 24회에 걸쳐 세레스를 관측했으며, 1801년 2월 11일로 관측을 마쳤다. 그는 그 해 1월 24일 세레스를 발견했다고, 2명의 천문학자, 바르나바 오리아니와 보데에게 편지로 전했다. 그는 편지에 혜성이라고 적었지만, "그 움직임이 느리고 일정해서, 여러 차례 혜성이 아닐 것이라는 생각을 갖게 했다" 라고 덧붙였다. 4월, 피아치는 오리아니와 보데와 파리의 라낭드에게 관측 결과를 보냈다. 이것은 1801년 9월에 Monatliche Correspondez에 발표되었다.

이 때까지, 세레스의 겉보기 위치는 변했지만, 태양광 때문에 다른 천문학자들이 피아치의 관측을 검증할 수 없었다. 그 해가 지날 때, 세레스를 다시 관측하고자 했으나, 긴 시간이 지나서 정확한 위치를 예측하기 어려웠기 때문에 관측하기에 어려웠다. 후에 카를 프리드리히 가우스가 최소제곱법을 이용하여 다시 세레스의 위치를 찾아냈다. 그는 스스로 3가지 물리량 (시간, 적경, 적위) 을 이용하여 케플러 운동을 알아냈다. 단 몇 주 만에, 그는 세레스의 위치를 예측하고 그 결과를 폰 쟈크에게 보냈다. 1801년 12월 31일, 폰 쟈크와 하인리히 올베르스는 예측된 위치에서 세레스를 발견했다.

관측 초기에는 세레스의 크기를 정확히 알아내는데 실패했다. 1802년, 허셜은 지름을 260 km 로 축소 계산했고, 1811년, 슈뢰터는 2,618 km 로 확대 계산했다.

표면

세레스의 표면은 C형 소행성의 구성물과 매우 유사하다. 하지만, 어느 정도 차이점도 존재한다. 적외선 스펙트럼으로 미루어 볼 때 나타나는 특징은 수화(hydrate)된 물질이 많다는 것이다. 이는 내부에 많은 양의 물이 있음을 의미한다. 이외에도 탄소질의 콘드라이트 운석에서 흔히 볼 수 있는 철이 풍부한 흙이 존재할 가능성이 있다. 한편, 세레스의 스펙트럼을 봤을 때, C형 소행성과는 달리 탄산염은 존재하지 않는다. 때때로 세레스를 G형 소행성으로 분류하기도 한다.

세레스의 표면은 상대적으로 온화하다. 1991년 5월 5일, 태양이 남중 했을 때, 측정된 최대 온도는 235 K였다.

현재는 세레스의 표면 일부의 영역만 확실히 규명되어있다. 1995년, 허블 우주 망원경로 찍은 고 해상도 자외선 이미지에는 세레스 발견자의 이름을 딴 "피아치" 라는 영역의 어두운 점이 있다. 처음에 이것은 분화구로 생각되었으나, 후에 켁 망원경으로 찍은 근적외선 이미지로 밝은 부분이나 어두운 부분 모두 행성과 함께 자전하고 있었다. 어두운 두 부분의 형태는 원형으로 이는 분화구로 추정된다. 가시광선 영역에서 허블 우주 망원경이 찍은 이미지에는 표면 지형을 눈으로도 구분할 수 있었다. 그러나, 아직도 그 특징은 알려지지 않았다. 찍힌 지형 중 하나는 이전에 관측된 "피아치" 와 일치하는 것으로 드러났다.

또한, 관측으로 세레스의 북극점의 위치를 알아낼 수 있었다.(용자리, 적경 19 h 24 min, 적위 +59°) 이것은 세레스의 자전축의 기울기가 매우 작다는 것(약 3°)을 의미한다.

대기

세레스에는 약한 대기와 함께, 표면에는 물이 얼어 생긴 서리가 있는 것으로 추정된다. 표면의 얼음은 태양으로부터의 거리 때문에 불안정하다. 때문에, 만약 태양광에 직접 노출된다면 승화할 것으로 보인다. 비록 내부의 물얼음이라도 표면으로 드러날 수 있지만, 매우 짧은 시간에 그 표면에서 탈출할 것이다. 결과적으로, 수분 증발 현상은 감지하기 어려울 것이라 추측된다. 극 지역에서 수분이 탈출하는 현상은 1990년대에 관측되었다는 보고가 있지만 확실히 증명된 것은 아니다. 다만, 새로 생긴 분화구 주위나 표면 아래층의 틈에서 수분이 탈출하는 현상이 감지될 가능성이 존재한다. IUE의 자외선 관측으로 많은 양의 수산화물 이온이 북극점 근처에서 발견되었다. 수산화물 이온은 태양의 자외선 복사로 수분이 증기로 변하는 과정에서 생성된 결과물이다.

기원과 진화

세레스는 약 45.7억년 전 소행성대에서 형성된 원시 행성에서 진화되었을 것이라 추정된다. 내행성계의 대부분은 원시 행성과 다른 원시 행성이 합쳐져 지구형 행성을 이루거나 원시 행성이 목성에 의해 바깥쪽으로 튀어나가기도 했지만, 세레스는 상대적으로 변화를 겪지 않은 것으로 생각된다. 다른 이론에서는 세레스가 카이퍼 대에서 형성된 후 소행성대로 옮겨져 왔을 것이라는 이론이 있다.

세레스의 지질의 발달 과정은 열적 작용과 연관이 있다. 그리고 작용 직후, 내부가 암석질의 핵과 얼음 맨틀로, 충분히 분화될 수 있었다고 추측된다. 열적 과정은 화산 활동에 의한, 물, 판이 표면을 다시 덮어 오래된 지형을 지우면서 일어난 것으로 보인다. 그 작은 크기 때문에, 세레스가 형성되자마자 식어서 모든 포장 과정이 중지된 것으로 추정된다. 한편, 표면의 얼음은 승화하여, 수화된 무기물만 남게 되었을 것이라 생각된다.

오늘날, 세레스는 지질학적으로 비활동 천체이며, 표면은 충돌에 의해서만 변할 수 있다. 세레스에서 발견되는 많은 양의 얼음은 내부에 물이 존재할 것이라는 가능성을 높여준다. 그 내부에 있는 가상적인 층을 대양(ocean)이라고 부른다. 만약, 내부에 액체 물이 존재한다면, 암석질 핵과 얼음 맨틀 사이에 있을 것으로 추측되며, 대양에는 소금, 암모니아, 황산 혹은 부동 물질이 물 속에 용해되어있을 것이다.

관측

세레스가 근일점 근처에 있을 때, 겉보기 등급은 +6.7 등급에 이른다.[9] 너무 어두워서 통상의 육안으로는 볼 수 없다. 2012년 12월 18일, 세레스의 등급이 +6.73 등급에 이를 것으로 보인다. 합일 때의 세레스의 밝기는 +9.3등급으로, 10×50 배율의 쌍안경으로 볼 수 있는 가장 어두운 천체이다. 하지만 이마저도 지평선 부근의 하늘이 매우 어두울 때 세레스를 볼 수 있을 것이다.

아래는 세레스에 대한 주목할 만한 관측 자료이다.

1984년 11월 13일, 멕시코, 플로리다, 카리브 해 전역에서 세레스가 다른 별을 가리는 엄폐 현상이 관측되었다.

1995년 6월 25일, 허블 우주 망원경을 이용하여 해상도 50 km 자외선 이미지를 얻었다.

2002년, 켁 망원경의 적응 제어 광학을 적용하여 30 km 분해능의 적외선 이미지를 얻었다.

2003년과 2004년에 걸쳐서, 허블 우주 망원경을 이용하여 30 km 분해능의 가시광선 이미지를 얻었다.

2015년에 돈을 통해서 세레스를 촬영했다.