세레스 (왜행성)

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 라낭드 에게 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.

이름

처음에 피아치는 Cerere Ferdinandea 라는 이름을 제안했다. 이 이름은 로마 신화의 여신인 세레스와 시칠리아 왕국의 페르디난도 1세를 딴 것이다.
그러나, "Ferdinandea" 는 다른 국가에서 수용할 수 없다고 여겨 폐지되었다. 한편, 독일에서는 잠깐동안 헤라로 불리기도 했다.
그리스에서는, Δήμητρα (데메테르) 로 불렸다. 데메테르는 세레스의 그리스에서의 이름으로, 후에 소행성 1108 데메테르에 붙여졌다. 세레스의 천문 기호는 낫으로, ( 금성의 그것 () 과 비슷하지만, 위쪽 원에 공간이 존재한다.
화학 원소 중 1803년 발견된 세륨은 세레스를 따서 붙인 것이다.
같은 해에 발견된 다른 원소도 처음에는 세레스를 따서 붙였지만, 발견자가 팔라듐으로 이름을 바꾸었다. (2 팔라스는 팔라듐에서 딴 것이다.)

물리적 특성

세레스는 화성과 목성 사이에 놓인 소행성대에서 가장 큰 천체이다. 그 질량은 작은 소행성들을 분석하면서 측정되었다. 측정자에 따라서 그 결과도 조금씩 달랐다. 2008년 현재, 가장 믿을만한 값은 대략 9.4 × 10²⁰ kg 으로 소행성대 총 질량인 3.0 ± 0.2 × 10²¹ kg 의 대략 1/3의 해당하는 값이며, 달 질량의 1.3 % 를 차지한다. 이런 세레스의 크기와 질량은 거의 구형 형태를 유지하는데 충분한 수치이다. 즉, 유체정역학적 평형에 가깝다는 뜻이다. 반면, 2 팔라스, 3 유노와 특히, 10 히기에이아 는 꽤나 불규칙적인 모양인 것으로 알려져 있다.

내부 구조

코넬 대학의 피터 토마스는 세레스의 내부 구조는 암석질 핵과 얼음 맨틀로 구성되어있다고 주장했는데, 그 이유는 세레스의 편평도가 매우 작기 때문이라고 설명했다. 100 km 두께의 맨틀에는 (세레스 부피의 50 , 질량의 23 ~ 28 % 를 차지한다.) 200만 km³ 의 물이 존재한다. 이는 지구 상의 전체 민물의 양 보다 많은 양이다. 이 결과는 2002년 켁 망원경의 관측과 진화 모델을 토대로 얻어진 결과이다. 또한, 표면의 특징과 과거의 일어난 일로 미루어 볼 때, 세레스 내부에 휘발성 물질이 있는 것으로 추정된다.
다른 주장으로 세레스의 모양과 크기는, 내부에 구멍이 많아 그 구조의 분화 여부로 설명할 수 있다는 주장이 있다. 얼음 층 위에 암석 층이 존재한다는 사실은 중력적으로 불안정하다는 것을 의미한다. 만약 암석 침전물이 얼음 층 아래로 유입됐다면 염류가 생성되었을 것이나, 이것은 발견되지 않았다. 따라서, 세레스에는 거대한 얼음 지각이 존재하지는 않지만 대신, 물로 구성된 낮은 밀도의 소행성에서 형성되었다는 사실로 설명이 가능하다. 한편, 방사성 동위원소가 붕괴하는 현상으로 내부 구조의 분화를 설명하기에는 충분하지 않다.
그런데, 최근 연구발표로는 지구 내부와 비슷하다는 점도 있다.

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.

외부 생명체에 대한 가능성

화성, 유로파만큼 외부 생명체에 대해 논의되지는 않았지만, 과학자들은 물얼음의 존재를 두고, 생명이 존재할 수도 있을 것이라는 가능성을 열어두고 있다.

궤도

세레스의 궤도는 화성과 목성 사이의 소행성대에 있으며, 공전 주기는 4.6 년이다. 궤도 기울기는 10.6°, 궤도 이심율은 0.08이다.
그림에서는 세레스의 궤도 (푸른색) 와 몇몇 행성의 궤도 (흰색과 회색) 를 보여주고 있다. 특히, 황도 아래쪽에 있는 궤도의 색은 어두운 색으로 입혀졌고, 중앙의 주황색 + 마크는 태양의 위치이다. 좌측 상단의 그림은 화성과 목성 사이의 간극에 존재하는 세레스를 보여준다. 또, 우측 상단의 그림은 세레스의 근일점과 원일점을 좀 더 자세히 보여준다. 아래의 그림은 세레스의 궤도를 보여주는 측면도이다.
과거, 세레스는 소행성 군으로 생각되었다. 소행성 군이란, 각각의 구성체가 비슷한 궤도 요소를 공유하는 집단을 의미한다. 그러나, 세레스의 스펙트럼에서 군의 특성과 다른 특성이 발견되면서, 현재 이 군은 1272 게피온의 이름을 따서 게피온 소행성군이라고 불린다. 세레스는 속한 소행성 군의 천체들과 비슷한 궤도 요소를 공유하지만 그 근원이 다르기 때문에, 소위 "침입자"로 취급되기도 한다.
세레스의 자전 주기는 9시간 4분이다.

세레스에서의 행성 통과

세레스에서는 수성, 금성, 지구 그리고 화성이 태양을 가로지르는 것을 볼 수 있다. 가장 흔히 통과 현상이 일어나는 행성은 수성이다. 2051년에는 금성, 2081년에는 지구, 2684년에는 화성이 일면 통과를 할 것으로 보인다.

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.

탐사

세레스를 방문하기전 까지는 화성 궤도 주위와 화성 표면의 탐사선의 전파 신호를 이용하여 화성의 섭동으로부터 세레스의 질량을 계산했다.
2007년, NASA는 무인 탐사선, 돈 탐사선을 발사하여, 2011년 4 베스타의 탐사를 시작으로 2015년에 세레스에 도착했다. 탐사선에는 영상 분리형 카메라, 가시광, 적외선 분광계 그리고 감마선과 중성자 감지기가 실렸다. 이 장비는 왜행성의 형태와 구성된 물질을 연구하는데 이용될 것이다.