토성 - 가장 아름다운 고리를 가진 행성

토성(Saturn)은 태양에서 6번째, 태양계에서는 목성 다음으로 두 번째로 큰 행성입니다. 거대 가스 행성에 속하는 토성의 평균 반지름은 지구의 약 9배에 달합니다. 평균 밀도는 지구의 1/8에 불과하기 때문에 거대한 부피에 비해 질량은 지구의 95배 정도입니다. 따라서 목성형 행성의 일종으로 분류됩니다.

토성의 내부에는 철과 니켈 및 실리콘과 산소의 화합물인 암석으로 이루어진 중심핵이 있고, 그 주위를 금속성 수소가 두껍게 덮고 있는 것으로 추정되며, 중간층에는 액체 상태의 수소와 헬륨이 그 바깥쪽은 가스가 둘러싸고 있습니다.

 

행성 표면은 맨 위에 있는 암모니아 결정에서 비롯된 흰색 또는 노란색 줄무늬가 보입니다. 금속수소층에서 발생하는 전류가 만들어내는 토성의 고유 자기장은 지구 자기장보다 약간 약하며, 목성 자기장의 1/2 정도이며, 바깥쪽 대기는 변화가 적고 색의 차이도 없지만, 오래 지속되는 특징이 나타나기도 합니다. 풍속은 목성보다 높은 1,800㎞/h에 이르지만, 해왕성만큼은 아닙니다.

토성은 항성 고리를 가지고 있는데, 9개는 주요 고리 모양이고 3개는 부정확한 원호입니다. 이들은 대부분 작은 얼음 조각이며, 암석 파편과 우주 먼지도 포함되어 있습니다. 알려진 바로는 146개의 위성을 가지고 있으며, 그중 63개는 고유명사를 가지고 있고 여기에는 고리 안에 존재하는 수백 개의 작은 위성은 포함되지 않습니다. 타이탄은 토성에서 가장 크고 태양계 전체에서 두 번째로 큰 위성이며, 수성보다 크고 위성으로는 태양계에서 유일하게 대기를 가지고 있습니다. 

 

물리적 특성

토성은 중심부에만 고체 성분을 차지하는 핵이 있지만, 주성분이 기체이고 외곽의 경계가 불분명하여 거대 가스 행성으로 분류됩니다. 자전에 의해 행성은 편구형상을 가지며, 극보다 적도 부분이 부풀어 오른 편평형을 이루기 때문에 적도 반경과 극 반경의 차이가 거의 10%에 달합니다. 목성, 천왕성, 해왕성 등 태양계의 다른 가스 행성들도 다소 평평하지만, 토성만큼은 아닙니다. 토성은 태양계에서 유일하게 물보다 30% 정도 가볍고 그 중심핵이야말로 물보다 무거운 비중을 가지고 있지만, 그 가스 성분으로 인해 평균적으로 0.69g/㎝3입니다. 부피는 지구의 768배에 달하지만 질량은 95배에 불과합니다. 토성은 목성과 함께 태양계 행성 질량의 92%를 차지합니다.

내부구조

앞서 언급햇듯이 토성은 거대 가스 행성으로 분류되지만, 목성과 마찬가지로 토성이 모두 가스로만 구성되어 있는 것은 아닙니다. 행성 성분의 대부분을 차지하는 수소는 밀도가 0.01g/㎝3을 넘으면 비이상적인 용액이 됩니다. 토성 반경의 99.9% 부분에서 이 밀도는 도달하고 행성 내부의 온도, 압력, 밀도 모두 중심부로 갈수록 높아지며, 내부로 갈수록 수소는 상이 바뀌어 금속처럼 변합니다.

표준 행성 모델에서 토성 내부는 목성과 마찬가지로 작은 암석질 중심핵을 수소와 헬륨 등의 휘발성 성분이 둘러싸고 있는 것으로 추정됩니다. 이 중심핵의 구조는 지구와 비슷하지만 더 조밀한 상태입니다. 천문학자들은 행성의 관성모멘트 추정과 내부 물리적 모델을 결합하여 행성 중심에 있는 질량 덩어리를 찾아냈으며, 2004년에 그들은 중심핵의 질량이 지구의 9-22배, 지름이 약 25,000㎞에 달한다고 밝혔습니다. 이 핵은 짙은 액체 상태의 금속수소 층으로 덮여 있고, 그 바깥쪽에는 헬륨이 포화된 수소 분자의 액체증이 이어져 있으며, 고도가 높아질수록 기체로 상이 변합니다. 가장 바깥층은 약 1,000㎞ 두께의 기체 대기로 이루어져 있습니다. 토성 내부는 매우 뜨겁고 중심핵에서는 11, 700K까지 올라갑니다. 그리고 태양광선 형태로 우주 공간에서 받는 것보다 2.5배나 더 많은 복사를 합니다. 이 방출 에너지는 켈빈-헬름홀츠 메커니즘이라는 느린 중력 압축에서 비롯된 것으로 추정되지만, 이것만으로는 토성의 열 발생량을 모두 설명할 수 없습니다. 

실제로 토성의 대기 중 헬륨의 비율은 태양이나 4개의 목성형 행성 주 어느 행성보다 낮으며, 이는 토성 내부에서 헬륨의 분리가 일어나고 있음을 시사하고 이 현상으로 인해 중심핵이 헬륨으로 덮여 있을 가능성도 있습니다.

 

대기권

외층의 대기는 96.3% 수소 분자(H2), 3.25%가 헬륨입니다. 이 헬륨의 구성비는 태양에 존재하는 이 원소의 비율과 비교하면 분명히 적습니다. 헬륨보다 무거운 원소의 양은 정확히 알려지지 않았지만, 원시 태양계 형성 당시의 비율과 일치하는 것으로 추정됩니다. 이들 원소는 지구 질량의 19 - 31배 정도 존재하는 것으로 추정되며, 대부분 토성 중심핵에 있는 것으로 추정됩니다.

암모니아, 아세틸렌, 에탄, 프로판, 인화수소, 메탄도 토성 대기에서 검출되었고, 상공에서 볼 수 있는 구름은 암모니아 결정이지만, 아래로 내려가면 황화수소암모늄과 물로 변합니다. 태양의 자외선은 상층 대기층에서 메탄의 광분해를 일으켜 화학반응으로 만들어진 각 종 탄화수소가 소용돌이와 확산을 통해 행성 내부로 운반됩니다. 이 광분해 주기는 토성의 겨절 변화에 영향을 받습니다. 

2005년 초 이후 토성의 번개가 계속 관측되고, 그 에너지는 지구 번개의 1,000배에 달합니다.

 

구름층

토성의 대기는 목성과 마찬가지로 띠 모양을 보이지만, 적도 부근에서 옅고 넓어지는 특징이 있습니다. 이 띠는 목성과 같은 학술 용어로 불립니다. 토성의 미세한 구름의 패턴은 1980년대 탐사선 보이저호가 도착하기 전까지 관측된 적이 없었지만, 이후 지구에서 망원경을 이용한 관측을 통해 자세히 밝혀졌습니다.

토성의 대기는 일반적으로 격렬한 움직임을 보이지 않지만, 때때로 목성에서 볼 수 있는 것처럼 매우 오래 지속되는 타원형 모양이 나타나기도 합니다. 1990년의 폭풍은 토성의 약 30년마다 북반구가 하지를 맞이할 즈음에 발생하며 오래 지속되지 않는 대백반 현상 중 하나였습니다.  이 대백반은 1876년, 1903년, 1933년, 1960년에도 각각 발생했는데, 특히 1933년의 대백반이 유명합니다. 

토성의 바람은 태양계에서 두 번째로 빠릅니다. 보이저호의 관측에 따르면 가장 빠른 것은 편동풍으로 속도는 1800㎞/h에 달합니다. 2007년 탐사선 카시니가 토성의 북반구에서 천왕성처럼 빛나는 푸른색 부분을 발견했습니다. 이는 레이리 산란에 의한 것으로 생각되고, 적외선 관측을 통해 토성의 남극점에는 다른 태양계 천체에서 볼 수 없는 따뜻한 극 소용돌이가 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 

 

반지 고리

토성은 고리로 가장 잘 알려져 있으며, 시각적 특징을 이룹니다. 이 고리는 토성의 적도 상공 6,630㎞에서 120,700㎞ 사이에 펼쳐진 있지만, 그 두께는 불과 20m 정도에 불과합니다. 이 얇은 두께 때문에 지구에서 볼 때 토성이 정면을 향하고 있을 때는 고리가 보이지 않는다. 

토성의 고리 소실은 토성 공전 중 약 15년에 한 번씩 두 번 발생합니다. 

성분의 93%는 소린이 섞인 물의 얼음으로 이루어져 있고, 7%는 비결정질 탄소로 이루어져 있습니다. 링의 온도는 영하 180ºC 내외이고, 고리는 먼지 정도의 크기에서 10m 정도 길이의 입자로 형성되어 있습니다. 이러한 고리는 다른 거대 행성에도 존재하지만, 토성의 고리는 특히 규모가 커서 눈에 잘 띈다. 고리의 기원에는 크게 두 가지 가설이 있는데, 하나는 파괴된 토성 위성의 잔해라는 것이고, 다른 하나는 토성을 형성한 성운의 잔해가 남아있다는 가설입니다. 과거 천문학자들은 고리의 형성을 토성과 평행하게 수십억 년 전으로 생각했지만, 이후 수 억년 전으로 생각하게 되었습니다. 

고리는 행성에서 1,.200만㎞ 떨어져 있고 다른 고리와 29도 각도를 이루는 페베 고리까지가 주요 영역이고 일부 위성은 빵이나 프로메테우스와 같은 고리가 확산되는 것을 막고 봉쇄하는 역할을 하는 위성도 있는데, 이를 양치기 위성군이라고 합니다. 빵과 아틀라스의 약하고 직선적인 밀도파는 그 질량보다 더 큰 영향을 토성의 고리에 미칠 수 있습니다.

 

위성

토성은 최소 146개의 위성을 가지고 있으며, 그 중 63개의 위성에 정식 명칭이 부여되어 있습니다. 가장 큰 위성은 타이탄으로 토성의 모든 위성과 고리를 합친 질량의 90% 이상을 차지하는 천체이며, 두 번째로 큰 레아는 대기가 얇은 것으로 추정됩니다. 그 밖의 다른 위성들은 매우 작으며, 119개는 직경이 10㎞ 미만, 14개는 50㎞ 미만에 불과합니다. 

전통적으로 토성의 대부분의 위성은 타이탄 이후 그리스 신화에서 이름을 따왔습니다. 타이탄은 태양계에서 유일하게 대기가 있는 위성이며, 복잡한 유기화학 합성이 이루어지고 있습니다. 또한 표면에 탄화수소 호수가 있는 유일한 위성이기도 합니다. 

엔겔라두스는 종종 미생물과 같은 외계 생명체가 존재할 가능성이 지적되고 있습니다. 그 근거는 엔켈라두스에서 발산하는 액체 염수로 이루어진 얼음의 대부분이 해양성 성분이라는 데서 찾을 수 있습니다.

 

역사

토성의 고리는 1610년 갈릴레이에 의해 처음 관측되었으나, 망원경의 성능이 좋지 않아 갈릴레오는 고리임을 파악하지 못하고 두 개의 큰 위성으로 생각했습니다. 그 모습을 토스카나 대공 코지모 2세에게 편지를 보냈다고 합니다. "토성은 하나가 아니라 세 개의 별이 모인 것입니다. 그것들은 서로 결합되어 있으며, 움직이거나 변화하지 않습니다. 이들은 황도 위를  똑같이 오가며 중심이 되는 토성과 그 옆에 고리처럼 붙어 있는 구조를 하고 있습니다."

그는 또한 토성에는 귀가 있다고 썼으며 지구에서 보는 토성의 방향은 토성이 공전함에 따라 변하기 때문에 1612년에는 고리를 관측할 수 없었습니다. 하지만 1613년 보이지 않던 고리가 다시 보이기 시작하면서 갈릴레이를 더욱 괴롭혔다고 합니다. 이 토성 고리의 수수께끼는 1655년 크리스티안 호이헨스가 갈릴레이보다 몇 단계 뛰어난 망원경으로 관측할 때까지 풀리지 않았습니다. 이후 1675년 조반니 카시니는 토성의 고리가 여러 개의 고리로 이루어져 있다는 사실을 발견했고, 그 이름을 따서 A고리와 B고리의 틈새는 카시니의 틈새로 명명되었습니다. 또한 A환 내에는 켄케의 틈새라고 불리는 카시니의 틈새보다 더 얇은 틈새가 존재합니다. 이는 독일의 천문학자 프란츠 엔케의 이름을 따서 붙여진 이름이지만, 현재의 엔케의 간극은 제임스 킬러가 발견한 것으로 , A환에는 킬러의 공극이라는 간극도 존재하고 있습니다.