토성(Saturn) - 태양계의 여섯번째 행성

0. 목차

1. 기본 데이터
2. 아름다운 고리를 가진 거대 가스 행성
3. 토성의 고리
4. 지구에서의 토성 관측
5. 토성의 위성
6. 관측선

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1. 기본 데이터

1. 궤도 반지름(천문단위 지구=1): 9.555
2. 공전 주기: 29.4578년
3. 자전 주기: 0.444일
4. 적도 반지름: 60268km (지구의 약 9.45배)
5. 질량: 568.296×10²⁴(지구의 약 95.16배)
6. 평균 밀도: 690kg/m³
7. 위성 수: 83개 이상
8. 이심률: 0.0555
9. 궤도 경사각도: 2.489
10. 태양으로부터의 평균 거리: 약 14억 2939km (지구의 약 9.5549배)

2017년 '카시니'에 의해 관측된 '토성(Saturn)'

2. 아름다운 고리를 가진 거대 가스 행성

 '토성(Saturn)'은 '목성(Jupiter)'과 마찬가지로 거대 가스 행성이다. 내부 구조도 목성과 아주 비슷하다. 중심 부분의 핵은 암석과 얼음으로 이루어져 있으며, 그 위에 액체 금속 수소와 헬륨으로 이루어진 맨틀이 있고, 그 바깥쪽에는 약간의 헬륨을 포함한 액체 분자 수소의 층이 있다. 반지름은 약 60300km 정도이며, 질량은 지구의 약 95배로, 목성에 이어 태양계에서 둘째의 크기를 자랑한다.

 토성은 아름다운 고리가 매우 인상적인 행성이다. 살실 토성뿐만 아니라 목성, 천왕성, 해왕성에도 고리가 존재하지만, 그중 토성의 고리의 크기는 압도적이다. 고리의 폭은 20만 km 이상으로, 토성 반지름의 3배 이상 된다. 한편 두께는 수십~수백 m밖에 되지 않는다. 고리의 대부분은 얼음 입자로 이루어져 있다.

2-1. 토성의 줄무늬와 '대백점'

 토성도 대기를 덮고 있는 구름이 변하기 때문에, 표면에 줄무늬 모양이 생긴다. 목성의 표면에 생긴 줄무늬와 비교하면, 토성의 줄무늬는 그다지 변하지 않는 것처럼 보인다. 토성에서는 '대백점(Great White Spot)'이라는 희게 보이는 지름 1만 km 급의 대형 소용돌이가 보인다. 목성에서 생기는 커다란 '대적점'은 300년 이상 사라지지 않고 관측되지만, 대백점은 몇 주일에서 몇 개월이 지나면 사라진다.

2-2. 토성의 오로라

 토성의 극 부분에는 북극과 남극에서 오로라가 발생한다. 오로라의 두께는 최상층 구름에서 1600km 이상의 지점까지 이르며, 오로라 커튼의 빛은 흔들리고 있어서 분 단위로 그 모습이 변한다.

 토성에서 오로라가 발생하는 이유는, 토성이 가지고 있는 '자기장(magnetic field)'에 태양에서 온 '태양풍(solar wind)'이 작용하기 때문이다. 토성은 자기장이 강해서, 지구의 약 600배나 된다. 이렇게 커다란 자기장이 생기는 이유는 토성의 맨틀이 반지름의 약 60%를 차지할 정도로 커서, 그 활동도 활발하기 때문인 것으로 보인다. 다만, 토성과 지구는 대기의 구성 성분이 달라서, 토성의 오로라는 가시광선으로는 볼 수 없고 자외선으로 관측할 수 있다.

허블 우주 망원경으로 촬영한 '토성의 오로라'

3. 토성의 고리

 토성의 적도 부근에 펼쳐진 고리의 반지름은 약 14Km이다. 망원경으로 보기 힘든 희박한 부분까지 고리에 포함하면, 약 48만 km까지 펼쳐져 있다. 토성의 고리는 가느다란 고리들의 집합체이며, 군데군데 밀도가 낮은 틈이 있다. 실제로 고리를 이루는 것은 자잘한 바위나 얼음덩어리이며, 서로 연결되어 있는 것은 아니다. 하나하나가 작은 천체로서 토성 본체를 돌고 있다.

3-1. 토성 고리의 발견

 토성의 고리는 1610년에 이탈리아의 과학자 '갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564~1642)'가 처음으로 관측하였다. 하지만 당시에는 망원경의 성능이 낮아 확실한 모양은 알 수 없었다. 갈릴레이는 '토성의 양쪽에 귀 모양의 괴상한 모양의 물체가 붙어 있다'고 표현했다고 한다.

 그 뒤 갈릴레이가 관측한 '양쪽의 귀'가 사실은 고리라는 사실을 발견한 사람은 네덜란드의 천문학자인 '크리스티안 하위헌스(Christiaan Huygens, 1629~1695)'였다. 그리고 1675년에 이탈리아 태생의 프랑스 천문학자 '조반니 도메니코 카시니(Giovanni Domenico Cassini, 1625~1712)'가 토성의 고리가 여러 개로 이루어져 있다는 사실을 알아냈다. 뿐만 아니라, 그는 고리들 사이에 있는 거대한 틈을 발견했는데, 이틈이 바로 '카시니 간극(Cassini division)'이다. 토성에는 이 밖에 '엥케 간극(Encke Gap)'도 있다.

3-2. 토성 고리의 구조

 아래의 그림은 토성 고리의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다. 토성에는 A, B, C, D, E, F, G 고리와, 새로운 2개의 고리가 알려져 있다. 가장 안쪽에 있는 D고리의 안쪽 가장자리에서 가장 바깥쪽에 있는 E고리의 끝까지, 고리의 폭은 약 20만 km에 이른다.

토성 고리의 구조

3-3. 토성의 고리는 어떻게 생겨났는가?

 토성의 고리는 멀리서 보면 아름다운 원반처럼 보이지만, 가까이서 보면 그 모습은 확 바뀐다. NASA의 행성 탐사선 보이저 등이 관측한 결과, 원반처럼 보인 고리의 정체는 지름 10m 이하의 얼음덩어리가 각각 토성의 둘레를 회전하는 것임이 밝혀졌다.

 그러면 토성의 고리는 어떤 과정을 거쳐 생성되었을까? 지금까지 제시된 수많은 가설 중 토성의 조력을 이용한 설명이 가장 그럴듯하다. 토성도 목성처럼 중력이 강하기 때문에 주변 위성들은 럭비공 모양으로 길어지는데 이 변형은 토성과 거리가 가까울수록 심하게 나타난다. 과거에 어떤 위성이 토성 주변을 선회하다가 자체 중력보다 조력이 커질 정도로 가까이 접근했다면, 조력에 의해 산산이 분해되어 지금과 같은 고리가 형성되었을 것이다.

 뉴턴의 중력 법칙을 이용하면, '모행성의 조력이 위성의 자체 중력보다 커지는 거리' 다시 말해 '위성이 조력에 의해 분해되기 시작하는 거리'를 계산할 수 있다. 이 값을 '로슈 한계(Roche Limit)'라고 한다.> 토성을 포함한 '거대 가스 행성'의 고리는 대부분 '로슈 한계'보다 가까운 거리에 존재하며, 모양을 갖춘 위성들은 로슈 한계를 넘어선 곳에서 공전하고 있다. 이것은 과거에 '거대 가스 행성'의 위성이 로슈 한계를 침범했다가 산산이 분해되어 띠가 되었음을 암시한다.

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4. 지구에서의 토성 관측

4-1. 토성의 고리 관측

 천체 망원경으로 관측할 때, 감격스러운 천체 중 하나가 바로 토성이다. 아름다운 고리가 흔들리는 신비로운 모습에 많은 사람들이 매료된다. 토성의 고리는 공전면에 대해 27° 정도 기울어져 있다. 토성은 약 30년에 걸쳐 태양을 일주하므로, 지구에서는 약 15년마다 고리를 바로 옆에서 보게 된다. 이때는 지구에서 어떤 천체 망원경으로도 고리를 볼 수 없다. 토성은 약 13억 km나 떨어져 있으며, 고리는 고작 수백 m의 두께밖에 안되기 때문이다. 이는 100km 정도 떨어진 곳에 있는 두께 0.1mm의 종이를 보는 것과 같다.

 2009년에는 이 고리가 사라지는 현상이 일어났다. 그 이후에는 고리의 기울기가 커지고 있다. 해마다 고리가 기울어 가는 모습을 관측하는 것도 재미있을 것이다. 2012년부터는 고리가 점차 잘 보이는 각도로 변했다.

4-2. 충(syzygy)

 2011년 4월 5일, 토성은 태양과 정확히 반대 위치에 오는 '충(Syzygy)'을 맞았다. 밝기는 0.5등 정도였다. 천문학에서는 지구를 중심으로 하여 외행성이 태양과 정반대의 위치에 오는 시각 또는 그 상태를 '충(Syzygy)'이라고 부른다. 처녀자리에서 가장 밝은 '스피카(Spica)'가 1.0등이므로, 그보다 약간 밝게 보이는 정도이다. 다만 토성의 고리는 육안으로는 볼 수 없다. 어느 정도 능력을 가진 천체 망원경으로 봐야 간신히 보이는 정도이다.

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5. 토성의 위성

 토성에는 적어도 83개 이상의 위성이 있다.

5-1. 타이탄(Titan)

1. 지름: 약 5150km
2. 토성으로부터의 거리: 약 122만 km
3. 발견 연도: 1655년
4. 공전 주기: 15일 22시간 41분

 토성의 위성 가운데 가장 주목받는 위성은 토성의 최대 위성인 '타이탄(Titan)'이다. 토성의 위성 '타이탄'은 네덜란드의 천문학자 '크리스티안 하위헌스(Christiaan Huygens, 1629~1695)'가 처음 발견하였다. 처음에는 단지 존재만이 알려져 있었지만, 19세기에 들어 태양계에서 수많은 위성들이 발견되면서, 독일 출신의 영국의 천문학자 '허셜(Herschel)'의 제안에 따라 1848년부터 이름을 갖게 되었다. '타이탄'이라는 이름은 신화 속 거인족에서 따온 것으로, 당시에는 타이탄이 태양계의 위성 가운데 가장 큰 것이라고 생각되었기 때문에 이런 이름이 붙었다. 참고로 태양계의 위성 중 가장 큰 것은 목성의 위성인 '가니메데(Ganymede)'이다.

5-2. 레아(Rhea)

1. 지름: 약 1528km
2. 토성으로부터의 거리: 약 52만 7000km
3. 발견 연도: 1672년

 '레아(Rhea)'는 토성의 위성 중 '타이탄(Titan)'다음으로 큰 위성이다. 타이탄에 이어 두 번째로 큰 위성이지만, 그 지름은 타이탄의 3분의 1 정도밖에 되지 않는다. 1672년에 프랑스의 천문학자 '조반니 도메니코 카시니(Giovanni Domenico Cassini, 1625~1712)'가 발견하였다. 'E 고리(E Ring)'의 바깥쪽에서, 타이탄보다 하나 바깥쪽의 궤도를 돌고 있다.

5-3. 야페투스(Ipetus)

1. 지름: 약 1470km
2. 토성으로부터의 거리: 약 356만 km

 '야페투스(Ipetus)'는 토성에서 세 번째로 큰 위성이며, 흰 영역과 검은 영역으로 분명히 갈라져 있는 것이 특징이다. 표면은 얼음과 암석으로 이루어져 있으며, 검은 영역에는 유기물이나 물을 포함하는 광물 등이 쌓이고 있는 것으로 보인다. 이것은 바깥쪽을 도는 위성 '포이베(Phoebe)'가 방출한 것으로 생각된다.

5-4. 엔켈라두스(Enceladus)

1. 지름: 약 504km
2. 토성으로부터의 거리: 약 23만 8000km

 '엔켈라두스(Enceladus)'는 지름이 504km밖에 되지 않는 작은 위성이다. 엔켈라두스에서도 그 내부에 액체의 물, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 에틸렌이나 프로필렌 등의 대량의 탄소 화합물이 포함되어 있을 것이라는 사실이 NASA의 토성 탐사선 '카시니(Cassini)'의 관측을 통해 시사되었다.

 토성 탐사선 '카시니-하위헌스(Cassini-Huygens)'는 토성의 위성 '엔켈라두스'의 줄무늬의 균열된 틈에서 솟아오르는 간헐천을 발견했다. 이 간헐천이 우주 공간으로 깃털처럼 분출하는 얼음 알갱이들 속에는 물 이외에도 다른 성분들이 섞여 있었다. '카시니-하위헌스'는 수소 분자, 메탄 등을 포함한 다양한 탄소 함유 유기 화합물을 발견했다.

 이 수소 분자와 메탄은 우주 생물학자에게 특히 흥미로운 존재다. 과학자들은 수소 분자는 엔켈라두스의 해저에 있는 암석과 뜨거운 물의 상호작용에 의해 생성되었을 가능성이 높다고 보며, 나아가 엔켈라두스의 심해 바닥에는 뜨거운 물이 나오는 열수구가 있을지도 모른다고도 생각한다. 지구에서 최초로 생명체가 나타난 장소도 이와 같은 심해의 열수구라는 학설이 힘을 얻고 있다. 또 수소 분자는 이산화탄소에서 메탄을 생성하는 일부 지구 미생물에게 에너지를 제공한다. 엔켈라두스에서도 이와 비슷한 일이 일어날 수도 있다고 보는 것은, '카시니-하위헌스 호'가 간헐천의 얼음 입자에서 '이산화탄소'와 '메탄'을 발견했기 때문이다. 그래서 이러한 점에 근거해 추측해 볼 때, 엔켈라두스의 솟구치는 물기둥의 표면 아래에는 생명체가 존재할지도 모른다는 의견이 제기되고 있다. 다만, 비생물적 메탄 생성 반응이 나타날 가능성도 있기 때문에, 엔켈라두스에 생명체가 존재한다고 주장하는 것은 아니다.

'카시니-하위헌스'가 촬영한 '엔켈라두스(Enceladus)'

5-5. 미마스(Mimas)

• 지름: 약 396km
• 토성으로부터의 거리: 약 18만 km

 '미마스(Mimas)'는 토성의 가장 바깥쪽에 있는 희박한 고리인 'E 고리' 안쪽을 돌고 있다. 지름 약 130km의 거대한 '허셜 화구(Herschel Crater)'가 특징이다.

'카시니-하위헌스 호'가 촬영한 '미마스(Mimas)'

5-6. 판도라(Pandora)

• 크기: 약 104×82×64km
• 토성으로부터의 거리: 약 14만 km
• 발견 연도: 1980년

 '판도라(Pandora)'는 1980년 보이저 1호가 촬영한 영상 자료를 통해 'S. 콜린스'가 발견한 토성의 위성이다.

5-7. 테티스(Tethys)

• 발견 연도: 1684년

5-8. 디오네(Dione)

• 발견 연도: 1684년

'카시니-하위헌스 호'가 촬영한 '디오네(Dione)'

5-9. 히페리온(Hyperion)

• 발견 연도: 1884년
• 크기: 지름 266km

 토성의 위성 중 하나인 '히페리온(Hyperion)'은 무수히 많은 예각의 화구가 존재하는 색다른 위성이다. 찌그러진 모양을 한 위성으로, 자전축이라 할 만한 것도 없이 불규칙한 움직임을 하면서 토성을 공전하고 있다.

'카시니-하위헌스 호'가 촬영한 '히페리온'

5-10. 포이베(Phoebe)

• 발견 연도: 1898년

5-11. 야누스(Janus)

• 발견 연도: 1980년

5-12. 에피메테우스(Epimetheus)

• 발견 연도: 1980년

5-13. 헬레네(Helene)

• 발견 연도: 1980년

5-14. 텔레스토(Telesto)

• 발견 연도: 1980년

5-15. 칼립소(Calypso)

• 발견 연도: 1980년

5-13. 헬레네(Helene)

• 발견 연도: 1980년

5-16. 아틀라스(Atlas)

• 발견 연도: 1980년

5-17. 프로메테우스(Prometheus)

• 발견 연도: 1980년

5-18. 판(Pan)

• 발견 연도: 1981년

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6. 관측선

6-1. 파이오니어 11호

• 발사 연도: 1973년
• 조직: NASA

 토성에 처음 접근한 탐사선은 '파이오니어 11호(Pioneer 11)'이다. 1979년 9월 1일에 약 20000km 거리에서 토성과 몇개의 위성의 사진을 촬영했다. 해상도는 좋지 못했지만 지표의 대기를 식별할 수는 있었다. '파이오니어 11호'는 타이탄의 온도도 측정했다.

파이오니어 11호(Pioneer 11)

6-2. 보이저 1, 2호

• 발사 연도: 1977년
• 조직: NASA

 보이저 1, 2호는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등 행성의 탐사와 태양계의 자기권이 미치는 범위인 '헬리오스피어(Heliosphere)'와 그 바깥쪽인 '헬리오포즈(Heliopause)' 공간을 탐사하기 위한 목적으로 계획된 NASA의 무인 탐사선으로, 당초 계획됐던 일정일 훨씬 넘겨 현재는 태양계 밖으로 비행중이다.

 1977년 9월 5일에 발사된 '보이저 1호(Voyager 1)'는 1980년 11월에 토성으로 접근했다. 이때 처음으로 토성과 토성의 위성, 고리의 고해상도 사진을 얻을 수 있었다. 또 '타이탄(Titian)'에 접근하여 대기에 관한 많은 정보를 얻을 수 있었다. 하지만 타이탄의 대기는 너무나 짙어서, 지형에 대한 자세한 데이터를 얻을 수는 없었다.

 1977년 8월 20일에 발사된 '보이저 2호(Voyager 2)'는 1981년 10월에 토성으로 접근했다. 이때 토성의 대기와 고리의 변화를 알 수 있을 정도로 선명한 영상을 얻을 수 있었다. 또 탐사선은 고리 내부와 근처에 있는 많은 위성들도 발견하였다.

6-3. 카시니-하위헌스

• 발사 시기: 1997년 10월 15일
• 조직: NASA / ESA

 '카시니(Cassini)'는 천문학자 '장 카시니(Jean Dominique Cassini, 1625~1712)', '하위헌스(Huygens)'는 네덜란드의 천문학자인 '크리스티안 하위헌스(Christiaan Huygens, 1629~1695)'에서 유래하였다. 토성 무인탐사선 '카시니-하위헌스(Cassini-Huygens)'는 착륙선 '하위헌스(Huygens)'와 하위헌스를 실은 궤도선 '카시니(Cassini)'로 이루어져 있다. '카시니 하위헌스'는 금성에서 지구로, 지구에서 목선 순으로 '스윙바이(swingby)'하여 토성 궤도에 도착하였다.

카시니-하위헌스(Cassini-Huygens)