행성의 고리 : 고리가 말해주는 태양계의 과거 모습

태양계는 매혹적인 우주의 현상 중 하나로, 행성들의 고리들이라는 미스터리한 현상이 존재합니다. 이 고리들은 아름다운 광경을 제공하면서도 과학적으로도 흥미로운 질문을 제기하고 있습니다. 이 글에서는 태양계의 행성들이 가진 고리에 대해 깊이 알아보도록 하겠습니다. 

태양계 행성 중 가장 아름다운 고리를 가지고 있는 토성은 우주에 대한 신비감을 갖기 충분합니다. 망원경을 통해 관측되는 토성의 모습과  탐사선을 보내 그 정체를 확인해 보니 그 고리는 얼음조각을 비롯한 파편들이라는 것을 밝혀낸 뒤에도 그것의 형성과정과 고리의 형태가 유지되는 이유와 그곳에서 일어나는 일들에 대해서도 많은 의문점이 발생해 왔습니다. 

 

천체의 고리(planetary ring)는 천체를 공전하는 먼지나 소행성 등의 고체 물질로 구성된 거대 행성 주위의 위성계의 일반적인 구성 요소입니다.

태양계에서 가장 유명한 행성 고리는 토성 주변에 존재하는 고리이지만, 다른 세 개의 거대 행성(목성, 천왕성, 해왕성)에도 고리가 존재합니다. 최근 증거는 소행성, 위성, 갈색왜성, 심지어 행성 간 공간을 포함한 다른 종류의 천체 주변에도 고리가 존재할 수 있음을 시사합니다.

 

행성의 고리

고리가 형성되는 이유로는 세 가지 방법이 있는데, 행성의 로슈 한계 내에 있어 합체하여 위성을 형성하지 못한 원시 행성계 원반의 물질로 형성되는 방법, 다른 위성에 의해 파괴된 위성의 파편으로 형성되는 방법, 그리고 큰 충돌이나 행성의 로슈 한계 내을 통화할 때 조석력의 응력에 의해 파괴된 위성의 파편으로 형성되는 방법입니다. 파편으로 형성되는 방식입니다. 대부분의 고리는 불안정하고 수천만 년에서 수억 년에 걸쳐 사라질 것으로 여겨졌지만, 토성의 고리는 상당히 오래된 것으로 보이며 태양계 초기까지 거슬러 올라갈 수 있는 것으로 보입니다. 

목성의 고리

목성의 고리는 1979년 보이저 1호가 처음 관측했을 때 세 번째로 발견되었고, 1990년대에 갈릴레오 궤도선에 의해 더 자세히 관측되었습니다. 목성의 고리는 "할로 고리"로 알려진 두꺼운 토러스, 얇고 비교적 밝은 "주 고리", 두 개의 희박한 "고사마 고리"의 네 개의 주요 고리로 구성되어 있으며, 주로 먼지로 구성되어 있습니다. 

 

토성의 고리

토성의 고리는 태양계 행성 중 가장 큰 고리이기 때문에 오래전부터 존재가 알려져 있었습니다. 갈릴레오 갈릴레이는 1610년 토성의 고리를 처음 관측했지만, 1655년 크리스티안 호이헨스가 관측할 때까지 토성 주위의 원반으로 정확하게 묘사되지 않았습니다. 그것들은 대부분 물의 얼음과 미량의 암석으로 구성되어 있으며, 입자의 크기는 마이크로미터 단위에서 미터 단위까지 다양합니다. 

 

천왕성의 고리

천왕성의 고리는 토성의 거대하고 복잡한 고리와 목성과 해왕성의 단순한 고리의 중간에 위치하며, 1977년 제임스 L. 엘리엇, 에드워드 W. 던햄, 제시카 밍크에 의해 발견되었습니다. .이후 2005년까지 보이저 2호와 허블우주망원경의 관측으로 총 13개의 고리가 발견되었습니다. 대부분 불투명하고 폭이 몇 킬로미터에 불과합니다. 그들은 어둡고, 물의 얼음과 방사선에 의해 생성된 유기 화합물로 구성되어 있을 가능성이 있습니다. 먼지가 상대적으로 적은 것은 천왕성의 확장된 외기권-코로나의 공기 저항 때문입니다.

 

해왕성의 고리

해왕성의 고리는 5개의 주요 고리로 구성되어 있으며, 가장 밀도가 높은 상태에서는 토성 고리의 저밀도 영역과 비슷하나 그것들은 얇고 먼지가 많기 때문에 목성의 고리와 훨씬 더 비슷합니다. 고리를 구성하는 매우 어두운 물질은 천왕성, 고리처럼 방사선에 의해 생성된 유기 화합물일 수 있습니다. 고리의 20%~70%는 먼지이며, 이는 비교적 높은 비율입니다. 천왕성 고리는 1989년 보이저 2호에 의해 결정적으로 발견될 때까지 수십 년 전부터 관측되었습니다.

 

준행성, 소행성, 위성 고리

2008년 보고는 토성의 위성 레아에 토성의 고리와는 별개의 얇은 고리가 존재할 가능성을 시사했으며, 레아는 고리를 가진 것으로 알려진 유일한 위성입니다. 그러나 2010년에 발표된 후속 연구에서는 카시니에 의한 레아의 관측이 고리의 예측된 특성과 일치하지 않는 것으로 밝혀져 고리 가설로 이어진 자가 효과의 원인이 다른 메카니즘에 있음을 시사했습니다. 일부 천문학자들은 명왕성이 고리를 가지고 있을 가능성이 있다고 이론화했습니다. 그러나 이 가능성은 뉴호라이즌스가 그러한 고리가 존재했다면 감지했을 것이라는 점에서 배제되었습니다. 

 

본체보다 거대한 장식, 고리

고리는 태양계의 비교적 바깥쪽에 위치한 거대한 가스 행성들이 갖는 공통적인 특징이지만 다른 행성에서는 매우 가늘고 희미해 큰 주목을 받지 못했고, 오직 토성만이 고리의 대명사로 불립니다. 유독 크고 아름답기 때문입니다. 토성의 고리는 눈에 잘 보이는 선명한 부분과 희미한 부분으로 나뉘는데, 눈에 잘 보이는 조밀하고 두꺼운 부분만 해도 넓이가 거의 토성 자체의 반지름과 비슷할 정도로 넓습니다. 지구 6개를 나란히 늘어 세울 수 있는 넓이입니다.

 

고리는 사라질 수 있다

고리가 생긴 이유에 대해서는 다양한 가설이 있지만, 위성이 부서져 만들어졌다는 설이 유력합니다. 행성에는 주위에 위성이 안전하게 궤도를 돌 수 있는 거리 한계가 있습니다. 그 한계보다 행성에 가까이 접근하는 위성은 행성의 중력때문에 자체적인 형체를 유지하지 못하고 찌그러지다 결국 부서지게 되는데, 먼 과거에 얼음이 풍부한 위성이 이런 방식으로 토성에 접근하다 부서져 고리를 이뤘으리라는 추정입니다. 

고리는 짧게는 100만년 길게는 1억 년까지 지속될 것으로 추정했습니다. 고리가 영원히 유지되지 않는 이유는 태양계 안쪽은 소천체에 가혹한 환경이기 때문입니다. 태양에서 나오는 막대한 양의 물질 입자가 마치 선풍기 바람처럼 물질을 끊임없이 밀어내고, 거대한 중력은 고리처럼 작고 연약한 구조를 헤집고 있어 지구 역시 이 방법으로 고리를 가질 수 있지 않을까 상상할 수 있는데, 달은 행성에 비해 덩치가 유독 큰 특이한 위성이기 때문에 고리를 형성할 수 없을 뿐만 아니라 자칫 대재앙이 먼저 일어날 가능성이 있습니다. 

 

행성 고리 연구의 천체물리학적 가치

토성이나 목성의 혜성충돌은 고리에도 영향을 미칩니다. 이유는 이 혜성이 조각나서 토성이나 목성에 충돌하기 전에 행성의 고리를 지나면서 이와 같은 파문을 만들었다고 합니다. 카시니호의 영상 팀 관계자이자 본 연구에 참여한 코넬대 연구원에 따르면 "행성의 고리가 과거 1억 년 전 보다 오히려 과거 30년 동안 발생한 사건들에 의해 영향을 받을 수 있다는 증거를 발견한 것은 매우 놀라운 일이다"라고 말하며 태양계가 생각보다 매우 역동적인 공간이라는 것을 알 수 있다고 합니다. 

 

목성의 경우 10년에 수차례, 토성의 경우는 100년에 수차례 이와 같은 현상이 발생하며 그것을 분석하면 역사를 뒤돌아 볼 수 있다고 합니다. 혜성의 행성 충돌로 인한 물결모양의 파형을 분석해 돌멩이의 크기와 특성, 운동 상태 등을 알아내는 것과 비슷한 원리입니다. 

 

이는 우주의 기원과 진화에 대한 단서를 제공해 줄 수도 있습니다. 태양계의 행성 고리는 아름다운 우주의 수수께끼 중 하나입니다. 이 고리들은 우리에게 과거와 미래의 우주에 대한 힌트를 제공하는 동시에 행성 고리의 연구는 우주 과학의 발전에 큰 영감을 주며, 거시적인 시각으로 연구하며,  끊임없이 진화하는 우주의 신비를 해명하기 위한 노력을 이어나갈 것입니다.