토성

토성은 어떤 행성일까?

토성은 태양에서 여섯 번째에 있고, 목성 다음으로 큰 행성이다. 평균 지름은 약 11만6천km로 지구의 9배가 넘고 질량은 지구의 약 95배다. 하지만 토성 전체의 평균 밀도는 물보다 낮다. 몸 대부분이 수소와 헬륨으로 이루어진 거대한 가스 행성이어서 발을 디딜 고체 표면도 없다.

토성은 약 10.7시간 만에 한 번 자전한다. 이렇게 빠른 회전 때문에 적도 부분이 불룩하고, 상층 대기의 구름과 바람은 행성을 두르는 띠를 만든다. 대기 아래로 내려갈수록 수소는 높은 압력에 눌려 더 조밀한 유체가 되며, 깊은 내부에는 암석과 얼음 성분이 섞인 핵이 있을 것으로 본다.

사진에서 가장 먼저 눈에 들어오는 고리는 이 거대한 행성의 일부다. 토성의 중력은 수많은 고리 입자를 붙잡고, 여러 위성의 중력은 그 안에 틈과 물결을 만든다. 둘을 구분해서 보면 토성 자체는 거대한 수소·헬륨 행성이고, 고리는 그 주위를 도는 별도의 입자 구조라는 점이 선명해진다.

• 약 11만6천km 토성의 평균 지름
• 지구의 약 95배 토성 전체의 질량
• 약 10.7시간 토성이 한 번 자전하는 데 걸리는 시간
• 약 687kg/m³ 물보다 낮은 토성의 평균 밀도

지름이 약 28만km인 토성의 고리는 어떻게 두께가 약 10m에 불과할까?

토성의 주 고리는 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 약 28만km에 이르지만, 대부분의 두께는 약 10m에 불과하다. 고리가 하나의 단단한 원반이 아니라 셀 수 없이 많은 얼음 조각으로 이루어졌기 때문이다. 입자들은 각자 토성을 돌며 서로 부딪치고, 그 과정에서 위아래 움직임이 줄어들어 얇은 평면 가까이에 모인다.

망원경으로 보면 고리가 매끈한 띠처럼 보이지만 가까이에서는 전혀 다르다. 입자 크기는 모래알보다 작은 것부터 집채만 한 얼음덩어리까지 다양하고, 드물게는 산만 한 덩어리도 있다. 토성에 가까운 입자는 더 빠르게 돌고 먼 입자는 더 느리게 돈다. 고리 전체가 레코드판처럼 한 몸으로 회전하는 것은 아니다.

• 지름 약 28만km 주 고리계의 한쪽 바깥 끝에서 반대쪽 끝까지 잰 규모
• 대부분 약 10m A·B·C 주 고리에서 대표적으로 관측되는 두께
• 22번 Cassini가 토성과 가장 안쪽 고리 사이를 통과한 횟수
• 약 1천만~1억 년 전 2019년 고리 질량 연구가 추정한 현재 주 고리의 형성 시기

고리의 틈과 물결은 왜 생길까?

고리는 수천 개의 가느다란 띠와 틈으로 나뉜다. 틈이라고 해서 입자가 완전히 없는 것은 아니다. 특정 거리에서 토성의 위성과 고리 입자의 공전 주기가 간단한 비율로 맞으면, 위성의 작은 중력이 같은 위치를 반복해서 잡아당긴다. 한 번의 힘은 약해도 오랫동안 쌓이면 입자를 다른 곳으로 밀어내거나 고리에 물결을 만든다.

A 고리와 B 고리 사이의 넓은 카시니 간극도 미마스의 반복적인 중력 영향과 관련이 있다. 고리 안에 있는 작은 위성은 주변 입자를 밀어내 좁은 통로를 만들고, 다른 위성은 가느다란 고리 가장자리의 모양을 바꾼다. 따라서 고리의 복잡한 무늬는 얼음의 색만 보여 주는 것이 아니라, 눈에 잘 보이지 않는 작은 위성의 위치와 중력까지 알려 준다.

고리 전체가 항상 평평한 것도 아니다. 위성의 중력으로 생긴 물결과 입자 덩어리는 고리면 위아래로 솟을 수 있다. 다만 이런 지역적인 구조와 달리 주 고리 대부분의 대표 두께는 약 10m다. ‘고리가 얇다’는 말은 모든 곳이 정확히 같은 두께라는 뜻이 아니다.

토성의 고리는 하나의 물체가 아니다. 크기와 속도가 다른 얼음 조각들이 각자의 궤도를 돌면서 함께 만든 얇은 원반이다.

고리는 토성과 함께 생겼을까?

토성은 약 45억 년 전에 만들어졌지만, 지금 보이는 밝은 주 고리가 그때부터 같은 모습이었다고 단정할 수는 없다. 고리의 나이를 알아내려면 먼저 고리 전체에 물질이 얼마나 있는지 알아야 한다. 질량이 큰 고리는 외부 먼지가 섞여도 오래 밝게 보일 수 있고, 질량이 작으면 같은 양의 먼지에도 더 빨리 어두워지기 때문이다.

2017년 Cassini는 토성과 고리 사이의 좁은 공간을 22번 지났다. 지구에서 우주선의 무선 신호를 추적해 속도가 얼마나 달라지는지 측정하면 토성과 고리가 우주선을 각각 얼마나 세게 당기는지 계산할 수 있다. 이 방법으로 고리의 질량을 구한 2019년 연구는 현재의 주 고리가 약 1천만~1억 년 전에 만들어졌을 가능성이 크다고 보았다.

2023년에는 고리에 들어오는 미세한 우주 먼지의 양과 얼음의 오염 정도를 분석한 연구가 발표됐다. 이 연구는 고리가 지금 상태로 우주 먼지에 노출된 기간이 수억 년을 넘기 어렵다는 결론을 내렸다. 두 연구 모두 고리가 토성보다 훨씬 뒤에 만들어졌다는 설명을 지지하지만, 정확한 기원과 나이에 대한 논의는 끝나지 않았다.

고리 입자가 부서졌다 다시 뭉치면서 오염된 부분을 숨기거나, 처음의 고리 질량이 예상보다 컸다면 오래된 고리도 밝게 보일 수 있다. 따라서 1천만~1억 년은 달력에 적힌 확정 나이가 아니라 Cassini의 질량 측정과 오염 모형에서 나온 추정 범위다.

고리 물질은 어디로 사라질까?

고리의 얼음과 먼지 일부는 계속 토성 쪽으로 이동한다. 햇빛과 주변의 전하를 띤 입자에 영향을 받은 작은 얼음 알갱이는 토성의 자기장을 따라 대기로 떨어질 수 있다. Cassini도 마지막 근접 비행에서 고리에서 온 물과 여러 물질이 토성의 적도 부근 대기로 들어가는 것을 측정했다.

연구진은 이 현상을 ‘고리비’라고 부른다. 현재 측정한 유입 속도가 오랫동안 이어진다고 가정하면 주 고리는 앞으로 수천만~수억 년 사이에 크게 줄어들 수 있다. 그러나 유입 속도는 입자 크기와 계절, 고리 안의 충돌에 따라 달라질 수 있다. 이 값은 정확한 소멸 날짜를 알려 주는 시계가 아니라, 고리가 지금도 물질을 잃고 있다는 증거다.

Cassini는 왜 토성 대기로 들어갔을까?

Cassini는 2004년부터 토성과 고리, 여러 위성을 조사했다. 임무가 끝날 무렵 추진 연료가 거의 남지 않자 NASA는 통제할 수 없게 된 우주선이 훗날 엔셀라두스나 타이탄에 충돌하는 상황을 피하려 했다. 두 위성은 생명이 살 수 있는 환경을 연구하는 곳이어서 지구에서 묻어 간 미생물로 오염시키지 않는 것이 중요했다.

임무팀은 Cassini를 곧바로 없애는 대신 마지막 과학 관측에 활용했다. 우주선은 토성과 고리 사이를 반복해서 지나며 고리 질량, 토성의 중력과 자기장, 대기로 떨어지는 고리 물질을 측정했다. 2017년 9월 15일에는 안테나를 지구로 향한 채 토성 대기 안으로 들어가 신호가 끊길 때까지 자료를 보냈다.

토성 사진에서 고리를 어떻게 읽어야 할까?

토성 사진의 고리를 단단한 장식으로 보면 넓은 틈과 가느다란 물결이 왜 생기는지 설명하기 어렵다. 고리를 수많은 얼음 입자의 궤도로 보면 안쪽과 바깥쪽의 속도가 다르고, 위성의 반복적인 중력이 틈을 만들며, 충돌이 전체를 얇게 유지한다는 사실이 보인다.

고리의 밝기는 나이를 추정하는 단서이고, 대기로 떨어지는 물질은 고리가 계속 변하고 있다는 단서다. Cassini의 마지막 비행은 고리의 질량과 물질 이동을 직접 측정해 이 두 질문을 연결했다. 토성의 고리는 영원히 같은 모습으로 남아 있는 배경이 아니라, 지금도 만들어지고 사라지는 과정에 있는 구조다.

출처

• NASA Science — Saturn Facts
• NASA/JPL — Planetary Physical Parameters
• NASA Science — Cassini Rings Overview
• NASA Science — Cassini Grand Finale
• NASA Science — Cassini Ring Mass Result
• Science — Saturn’s Gravity Field and Ring Mass
• NASA Ames — Micrometeoroids and Ring Evolution
• Science Advances — Micrometeoroid Infall Constrains Ring Age
• NASA Science — Saturn Is Losing Its Rings