트리톤 : 태양계의 유일한 역행 위성

트리톤(Triton, Neptune I)은 해왕성의 가장 큰 자연 위성이자 해왕성에서 발견된 최초의 위성으로 1846년 10월 10일 영국의 천문학자 윌리엄 러셀에 의해 발견되었습니다. 태양계 내 대형 위성 중 유일하게 주 행성의 자전 방향과 반대 방향으로 공전하는 역행 궤도를 가지고 있습니다. 지름은 2,710㎞, 태양계 위성 중 7번째로 큽니다. 역행 궤도와 명왕성과 유사한 구성으로 인해 트리톤은 카이퍼 벨트에서 포착된 준행성 규모의 천체로 추정됩니다. 트리토은 얼어붙은 질소 표면과 주로 물과 얼음으로 이루어진 지각, 얼음 맨틀, 암석과 금속으로 이루어진 큰 핵을 가지고 있습니다. 핵은 전체 질량의 약 2/3를 차지합니다. 평균 밀도는 2.059g / ㎝3이며, 이는 구성의 약 15~35%가 얼음임을 반영합니다. 

트리톤은 지질학적으로 활동적인 것으로 알려진 몇 안 되는 태양계 위성 중 하나입니다. 그 결과, 표면은 비교적 젊고 뚜렷한 분화구가 거의 보이지 않습니다. 얼음 화산과 지각변동과 같은 지형의 존재는 복잡한 지질학적 변천을 암시합니다. 표면의 일부에는 승화된 질소 가스를 분출하는 간헐천이 있으며, 지구 해수면 기압의 70,000분의 1에 해당하는 얇은 질소 대기에 관여하고 있습니다. 주행성과의 상대적 크기에서 지구의 달에 이어 두 번째로 큰 행성입니다. 

 

발견과 명칭의 부여

트리톤은 1846년 10월 10일 영국의 천문학자 윌리엄 러셀에 의해 발견되었는데, 이는 해왕성을 발견한 지 17일 후였습니다. 그는 자신이 제작한 구경 61㎝의 망원경으로 트리톤을 발견했습니다. 

1820년 러셀은 아마추어 망원경의 거울을 제작하기 시작했습니다. 존 허셜이 해왕성 발견 소식을 접했을 때, 러셀에게 편지를 써서 존재할 수 있는 위성을 탐사할 것을 제안했습니다. 러셀은 이에 응했고, 8일 후 트리톤을 발견했습니다. 러셀은 고리도 발견했다고 주장했으나 나중에 그 존재가 확인되었지만, 고리가 너무 희미하고 어두워서 러셀이 실제로 고리를 관측했는지는 의심스럽습니다. 

트리톤은 포세이돈의 아들인 바다의 신 트리톤 이름을 따서 명명되었습니다. 이 이름은 카미유 플라마리옹이 1880년 출간한 책 Astronomie Populaire에서 처음 제안했고, 수십 년 후 정식으로 채택했습니다. 1949년 두 번째 위성 네레이드가 발견될 때까지 트리톤은 일반적으로 '해왕성의 위성'으로 불렸습니다. 러셀은 자신이 발견한 위성에 이름을 붙이지 않고, 나중에 그가 발견한 토성의 8번째 위성으로 존 허셜이 이전에 선택한 히페리온을 사용할 것을 성공적으로 제안했습니다. 

 

궤도와 자전

트리톤은 태양계의 모든 대형 위성 중 유일하게 역행 궤도, 즉 주 행성의 자전 방향과 반대 방향으로 공전하는 위성입니다. 목성이나 토성 바깥을 공전하는 대부분의 불규칙 위성, 천왕성 바깥을 공전하는 일부 위성도 역행 궤도를 가집니다. 그러나 이들 위성은 주 행성에서 멀리 떨어져 있고 크기도 작습니다. 그 중 가장 큰 것도 트리톤 직경의 8%에 불과합니다. 

트리톤의 궤도에는 해왕성 궤도에 대한 해왕성 자전축의 기울기 30도와 해왕성 자전축의 기울기 30도와 해왕성 자전에 대한 트리톤의 궤도 경사각 157도의 두 가지 경사도가 관여합니다. 트리톤의 궤도는 해왕성 자전에 대해 678 지구년(4.1 해왕성년) 주기로 세차운동을 하고 있으며, 해왕성 궤도에 대한 상대적 궤도 기울기는 127도에서 180도까지 변화하며 과거에는 173도까지 도달한 적도 있었습니다. 현재는 130도이며, 트리톤의 궤도는 현재 해왕성 궤도에서 가장 멀리 떨어져 있는 상태에 가까워지고 있습니다. 

역행궤도 위성의 포획

역행궤도 위성은 그 위성이 공전하는 주행성 주변에서 형성된 파편 원반에서 형성되지 않기 때문에, 트리톤은 다른 영역에서 포획된 천체라고 합니다. 태양으로부터 약 40 au 떨어진 위치에 있는 작은 얼음 천체로 이루어진 고리 모양의 영역인 에지워스 카이퍼 벨트가 트리톤의 기원이 될 수 있습니다. 지구에서 관측되는 대부분의 단주기 혜성의 기원인 카이퍼 벨트에는 명왕성을 포함한 여러 행성 크기의 천체들이 존재합니다. 이들은 현재 해왕성과 궤도 공명 상태에 있는 카이퍼 벨트에서 가장 큰 천체로 인식되고 있습니다. 트리톤은 명왕성보다 약간 더 크고, 구성도 거의 같기 때문에 두 천체가 같은 기원을 공유한다는 가설이 제기되고 있습니다. 

트리톤이 포획에 의해 위성이 되었다는 가설은 해왕성의 위성 네레이드의 극단적인 타원궤도, 해왕성이 다른 거대 가스 행성보다 위성 수가 적은 점 등 해왕성계의 몇 가지 특징을 설명할 수 있을 것입니다. 초기 트리톤의 타원형 궤도는 불규칙한 위성의 궤도를 가로질러 더 작은 규칙적인 위성의 궤도에 섭동을 주어 중력의 상호작용으로 위성을 분산시켰을 것입니다. 

포획돈 트리톤의 타원형 궤도는 또한 내부에 조석 가열을 일으켜 10억 년 동안 트리톤 내부에 유체가 존재할 수 있었습니다. 이 추론은 트리톤의 내부가 분화되었다는 증거에 의해 뒷받침됩니다. 이 내부 열원은 조석 고정과 궤도의 원형화에 따라 사라졌습니다. 

 

물리적 특성

트리톤은 태양계에서 7번째로 큰 위성이며, 천체 전체에서 16번째로 큰 위성으로, 준행성 명왕성이나 에리스보다 약간 더 큽니다. 해왕성 고리와 13개의 위성을 포함해 해왕성 궤도에 있는 천체 전체 질량의 99.5% 이상을 차지하며, 태양계 내에서 알려진 트리톤보다 작은 위성의 전체 질량보다 큽니다. 또한 직경은 해왕성의 5.5%로 거대 가스 행성의 위성 중 주행성 대비 크기가 가장 크지만, 질량 비교에서는 토성의 위성인 타이탄이 더 큽니다. 명왕성과 비슷한 반경, 밀도, 온도 그리고 화학조성을 가지고 있습니다. 

 

트리톤의 표면은 오랜 기간 동안 녹아내렸음을 암시하기 때문에, 내부 모델은 트리톤이 지구처럼 단단한 핵과 맨틀, 그리고 지각으로 분화되어 있다고 가정합니다. 암석과 금속으로 이루어진 핵을 둘러싸고 있는 트리톤의 맨틀은 태양계에서 가장 많이 존재하는 휘발성 물질인 물로 구성되어 있습니다. 트리톤 내부에는 방사선 물질의 붕괴열로 오늘날까지 맨틀의 대류를 구동하기에 충분한 양의 암석이 존재합니다. 이 열은 유럽 내부에 존재한다고 가정되는 것과 유사한 지구 규모의 지하 해양을 유지하기에 충불할 수도 있습니다. 배출된 검은색 물질에는 유기화합물이 포함되어 있을 가능성이 있으며, 트리톤에 액체 상태의 물이 존재한다면 어떤 형태의 생명체가 거주할 수 있을 것으로 추측됩니다. 

 

대기

트리톤은 표면에 미량의 일산화탄소와 소량의 메탄을 포함하는 얇은 질소 대기를 가지고 있습니다. 명왕성의 대기와 마찬가지로 트리톤의 대기는 표면의 질소 증발에 기인하는 것으로 생각됩니다. 트리톤의 질소 얼음은 온도가 비교적 높은 곳에서 생성되는 육방정계 상태로 존재하며, 그 온도에서 육방정계 얼음과 입방정계 얼음 사이의 상전이 일어나기 때문에 표면 온도는 최소 35.6K(-237.6ºC)가 됩니다. 온도의 상한선은 40K 미만이며, 이는 트리톤의 대기 중 질소 가스의 평형 증기압에서 구할 수 있습니다. 

 

관측과 탐사

트리톤의 궤도 특성은 19세기에 이미 높은 정확도로 밝혀졌으며, 해왕성 궤도면에 대해 매우 기울어져 있고, 역행 궤도를 가지고 있는 것으로 밝혀졌습니다. 트리톤에 대한 자세한 관측은 1930년까지 이루어지지 않았고, 1989년 보이저 2호가 전까지는 트리톤에 대해 알려진 바가 거의 없었습니다. 

보이저 2호가 플라이바이를 하기 전까지 천문학자들은 트리톤에 액체 질소 바다와 지구의 30%에 달하는 질소와 메탕으로 구성된 대기가 존재할 수 있다고 생각했습니다. 그러나 화성의 대기 밀도가 과대평가된 것과 마찬가지로, 이는 사실이 아닌 것으로 밝혀졌습니다. 화성과 마찬가지로 초기에는 더 밀도가 높은 대기의 존재가 있을 수 있다고 추측했다고 합니다.