토성의 위성 엔셀라두스는 거대한 바다를 감싸고 있는 얼어붙은 껍질이며, 남극 근처에서는 지각의 균열이 마치 실내 배관에 대한 메모를 받지 못한 간헐천처럼 수증기와 얼음 입자를 우주로 분출하고 있다. 이 입자들은 과학자들이 수 킬로미터의 얼음을 뚫지 않고도 외계 바다를 연구할 수 있는 방법을 제공하는데, 그렇게 긴 드릴을 가진 사람이 아무도 없기 때문에 이는 편리한 일이다.

도쿄과학대학 지구생명과학연구소(ELSI)의 연구원들을 포함한 국제 연구팀은 이제 그 바다 물이 지표 아래에서 이동하여 결국 우주에서 탐지되는 작은 얼음 알갱이가 될 때 어떤 일이 일어나는지 조사했다.

2004년부터 2017년까지 NASA의 카시니 우주선에 탑재된 우주먼지분석기는 엔셀라두스에서 분출되는 물질로 지속적으로 공급되는 토성의 E 고리에서 개별 얼음 입자의 구성을 측정했다. 베를린 자유대학의 프랭크 포스트버그 교수가 이끄는 팀은 Type 3 입자로 알려진 소금이 풍부한 알갱이의 질량 스펙트럼 961개를 조사했다. 만약 알갱이가 단순히 동일한 바다 물의 작은 샘플이라면, 과학자들은 그것들이 대체로 유사한 소금 혼합물을 포함할 것으로 예상할 수 있다. 대신, 일부는 특히 염화나트륨이 풍부했고, 다른 일부는 탄산염, 인산염 또는 염화칼륨을 더 많이 함유하고 있었다. 특히 눈에 띄는 패턴 하나: 염화물과 탄산염은 나트륨이 풍부한 동일한 입자에서 거의 함께 나타나지 않았다.

이는 근본적인 수수께끼를 제기했다. 이 모든 알갱이가 같은 바다에서 왔다면, 왜 화학 조성이 그렇게 크게 달랐을까? 이는 같은 식당에서 같은 수프를 주문하고 매번 완전히 다른 양념을 받는 것과 같은 행성 과학적 등가물이다.

이 질문을 탐구하기 위해 ELSI의 세키네 야스히토 교수와 동료들은 엔셀라두스의 바다에 존재한다고 생각되는 주요 소금을 포함하는 실험실 방울을 만들었다. 연구원들은 다양한 크기의 방울을 다양한 냉각 조건에서 얼린 다음, 방울이 응고된 후 화학 원소가 어떻게 분포되는지 연구했다. 결과는 얼리는 속도가 주요 역할을 한다는 것을 보여주었다.

약 200마이크로미터 크기의 방울에서, 분당 약 10K 이하의 상대적으로 느린 속도로 얼릴 때 소금은 서로 다른 영역으로 분리되었다. 방울이 더 빨리 얼면 화학 성분은 훨씬 더 고르게 혼합된 상태로 남았다.

"카시니가 본 다양성이 본질적으로 동일한 바다 물에서 유래한 방울에서 나올 수 있다는 것이 놀라웠습니다."라고 세키네는 말했다. "우리의 실험은 상대적으로 큰 바다 방울이 천천히 얼면 다양한 소금이 그 안에서 분리될 수 있음을 보여줍니다. 그 얼어붙은 방울이 나중에 부서지면, 각각 매우 다른 화학 조성을 가진 훨씬 더 작은 얼음 알갱이를 생성할 수 있습니다."

이 발견은 또한 달의 얼음 지각 내부에서 일어나는 일에 대해 뭔가를 밝혀낼 수 있다. 이전 연구들은 일반적으로 엔셀라두스에서 나오는 해수 분무가 빠르게 얼고 바다를 떠난 직후 우주로 빠르게 이동한다고 가정했다. 새로운 실험은 다른 시나리오를 가리킨다: 방울은 처음에 지하 분출 시스템을 통해 훨씬 더 천천히 이동하여 표면에 접근하기 전에 얼음 균열을 통해 복잡한 경로를 따라갈 수 있다.

연구원들은 해수 분무가 처음에 수십에서 수백 마이크로미터 크기의 방울을 형성한다고 제안한다. 그 방울이 분출구의 더 깊은 부분을 통해 천천히 이동하면서 점차 얼어붙어 소금이 서로 다른 영역으로 분리될 충분한 시간을 준다. 표면에 가까워지면 조건이 변한다. 가스가 더 빠르게 움직이기 시작하고, 얼어붙은 방울은 더 좁은 얼음 채널의 벽에 고속으로 충돌할 수 있다. 이러한 충돌은 방울을 훨씬 더 작은 조각으로 부술 수 있다. 각 조각은 원래 얼어붙은 방울 내의 다른 소금이 풍부한 영역에서 나올 수 있어 매우 다른 화학 조성을 가진 알갱이를 만든다. 그 조각들은 그런 다음 우주로 탈출하여 토성의 E 고리의 일부가 될 수 있다.

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