토성은 물에 뜬다...태양계 최고 멋쟁이 토성의 모든 것 - 노컷

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토성은 물에 뜬다...태양계 최고 멋쟁이 토성의 모든 것

2014-11-19 07:00 CBS노컷뉴스 감일근 기자 

지구보다 750배 크고, 95배 더 무겁다

토성의 아름다운 자태 (사진 출처=NASA)

토성은 독특한 고리와 아름다운 모습으로 태양계에서 가장 주목 받는 행성이다. 

특히 최근 개봉돼 인기를 모으고 있는 영화 '인터스텔라’에도 등장하면서 토성이 부쩍 관심을 끌고 있다. 

영화에서 주인공 쿠퍼는 죽어가는 지구를 대신할 새로운 행성을 찾기 위해 누군가 만들어 둔 토성 근처의 웜홀(우주에서 모든 것을 흡수하는 블랙홀과 이를 다시 분출하는 화이트홀을 연결하는 가상의 통로로 공상과학에서는 다른 은하로 가는 지름길로 이용된다)을 통해 다른 은하로 건너가는 장면이 나온다. 

토성은 태양에서 6번째 행성이며, 두 번째로 크다. 지구에서 맨눈으로 볼 수 있는 가장 멀리 떨어진 행성이기도 하다. 그러나 토성의 가장 큰 특징인 고리는 오직 망원경을 이용해야 볼 수 있다. 목성과 천왕성, 해왕성도 가스 행성으로 고리를 가지지만 규모에 있어 토성과는 비교할 수 없다. 

토성을 의미하는 새턴(Saturn)은 그리스 신화에 나오는 타이탄 신의 막내 크로노스(Cronus)를 의미하는 로마어에서 유래됐다. 

<토성의 물리적 특성> 

토성은 가스행성으로 대부분 수소와 헬륨으로 이뤄져 있다. 지구보다 760배 이상 크다. 질량은 지구의 95배로 태양계에서 목성 다음으로 가장 무겁다. 

반면 밀도는 가장 낮다. 태양계 행성 가운데 유일하게 물보다도 밀도가 낮아서, 만약 토성이 들어갈 수 있는 대형 욕조가 있다면 토성은 물에 뜬다. 

표면에 보이는 노란색과 금색의 띠들은 상층 대기가 행성 내부에서 나오는 열과 결합하면서 시속 1천800km의 매우 빠른 속도로 적도 주변을 돌고 있기 때문이다. 

토성의 자전 주기는 10시간 30분으로 목성을 제외하고 가장 빠르다. 이처럼 빠른 자전속도로 인해 극지는 상대적으로 평평하고 적도는 더 두꺼워지면서 수평 지름이 남극과 북극사이의 수직 지름보다 1만3천km 더 길다. 

최근 북극 둘레에 한면의 길이가 1만2천500km에 이르는 거대한 6각형 형태가 관찰돼 토성을 둘러싼 최대의 미스터리가 되고 있다. 지구 6개가 들어갈 수 있는 엄청난 크기다. 왜 이런 현상이 발생하는지 아직 규명되지 않았다. 

토성 기준으로 일 년에 한번(지구의 약 30년)씩 대기에 거대한 폭풍우가 일어나 토성 대기의 기온과 바람을 어지럽힌다. 1876년 이래 6차례 관찰됐다. 2011년 NASA의 카시니 우주선은 최초로 토성 궤도에서 이 현상을 직접 관찰했다. 

다른 큰 규모의 행성과 같이 토성도 북극과 남극에서 태양에서 온 입자에 의해 오로라가 발생한다. 

<구조와 구성 물질> 

대기의 구성은 96.3%가 분자형태의 수소이다. 3.25%는 헬륨이며, 소량의 메탄과 암모니아 이산화탄소, 에탄, 암모니아 동결 에어로졸, 얼음 에어로졸, 암모니아 수황화물 에어로졸 등도 포함돼 있다. 

토성의 자기장은 지구보다 578배 강하다. 철과 바위로 된 내부 핵이 있고, 이를 암모니아와 메탄, 물 등으로 구성된 외부 핵이 둘러싸고 있다. 그 위로 압축된 액체 금속성 수소가 있고, 다시 그 위에는 점성이 있는 수소와 헬륩이 에워싸고 있다. 이 수소와 헬륨은 표면 근처에서 가스화 되면서 대기와 합쳐진다. 

토성의 핵은 지구의 핵보다 10~20배 더 큰 것으로 추정된다. 토성은 태양으로부터 14억2천572만5천400km 떨어져 있다. 지구보다 9.53707배 더 멀다. 

공전 주기에서 태양과 가장 가까울 때(근일점)가 13억4천946만7천km로 지구의 9.177배이다. 태양과 가장 멀때(원일점)는 15억398만3천km로 지구의 9.888배에 해당한다. 

<토성의 위성> 

토성은 최소 62개의 위성을 갖고 있다. 토성의 이름이 그리스 신화에 나오는 타이탄의 신 크로누스에서 유래된 만큼 위성도 다른 타이탄들이나 그들의 후손 이름들을 붙였으며, 에스키모나 프랑스, 노르웨이의 신화에 나오는 거인들의 이름도 붙여졌다. 

토성의 가장 큰 위성은 타이탄이다. 수성보다 조금 더 크고 태양계에서 목성의 위성 가니메데에 이어 두 번째로 큰 위성이다. 지구의 위성인 달은 다섯 번째로 크다. 타이탄은 매우 두텁고, 질소가 풍부한 대기로 덮여 있다. 오래 전 지구에 생명체가 살기 이전과 비슷한 환경이다. 

지구 대기의 두께는 60km이지만 타이탄은 이보다 거의 10배 가까이 더 두텁다. 

대기는 많은 탄화수소와 지구에서 화석연료가 되었던 화학물질들로 구성돼 있다. 메탄 비가 하늘로부터 내려서 얼음 표면 사이로 흐른다. 최근 연구에서 플라스틱의 화학원료인 프로필렌도 발견됐다. 

토성의 위성들은 특이한 모양들을 하고 있다. 

팬과 아틀라스는 비행접시 모양이고, 라페투스 위성은 한쪽이 눈처럼 밝은 반면 다른 쪽은 석탄처럼 검다. 엔셀레두스에는 얼음화산의 흔적이 있고 남극에는 101개의 간헐온천이 물과 다른 화학물질들을 내뿜고 있다. 

프로메테우스와 판도라 등의 많은 위성들은 양치기 위성(shepherd moons)들이다. 양치기 위성은 토성 고리의 안쪽과 바깥쪽에서 고리와 함께 공전하면서 고리를 구성하는 물질이 흩어지지 않고 궤도를 유지하도록 만드는 역할을 한다. 

과학자들은 많은 위성들을 찾았지만 토성은 작은 위성들이 끊임없이 생기고 파괴되는 혼란스런 상태이다. 

<토성 고리> 

갈릴레오 갈릴레이는 1610년 토성 고리를 최초로 발견했다. 그러나 그의 망원경 성능으로는 고리가 핸들처럼 보였을 뿐이었고, 고리가 얇고 평평하다는 사실을 처음 확인한 것은 보다 성능이 뛰어난 망원경을 가졌던 네덜란드 천문학자 크리스찬 호이겐스였다. 

이후 고리는 설탕 알갱이에서 집채만한 수십억개의 얼음과 바위 입자들로 구성된 수많은 고리들로 이뤄져 있다는 사실이 밝혀졌다. 

가장 큰 고리의 폭은 토성 지름의 200배에 이른다. 고리는 혜성과 소행성, 또는 붕괴된 위성의 부스러기로 추정된다. 고리는 토성으로부터 수천 km이상 떨어져 있지만 주요 고리들의 두께는 일반적으로 약 9m 정도에 불과하다. 

카시니 토성탐사위성은 수직 고리도 있다는 사실을 발견했다. 수직 고리는 3km 이상의 높이로 입자들이 울퉁불퉁하게 쌓여 있다. 

고리는 일반적으로 발견된 순서에 따라 알파벳순으로 이름이 붙여졌다. 

고리들은 카시니 디비젼에 의해 나눠진 것을 제외하면 서로 가깝게 붙어 있다. 카시니 디비젼은 고리와 고리사이의 약 4천700km에 이르는 간극이다. 

주요 고리는 토성으로부터 C, B, A가 있으며 B와A 고리 사이에 카시니 디비젼이 존재한다. 토성과 가장 가까운 고리는 D고리로 매우 엷다. 가장 바깥 고리는 2009년 발견됐으며 고리 내부에 10억 개의 지구가 들어갈 수 있다. 

토성 고리에는 수 시간 동안 생겼다 소멸하는 불가사의한 바퀴살 모양이 발견된다. 과학자들은 이 바퀴살 모양이 번개에서 나오는 전자빔이나 작은 혜성이 고리에 부딪혀 생긴, 전지적으로 충전된 먼지 크기의 입자 박판들로 구성됐을 것으로 추정하고 있다. 

F고리는 신비하게 꼬여 있는 모양을 갖는다. 이것은 여러 개의 좁은 고리들과 굽고, 구부러진 것들이 마치 가닥들이 꼬여 있는 것 같은 착시를 일으키게 만든다. 

고리는 소행성이나 혜성과 부딪히면서 모양이 변한다. 이는 목성 고리도 마찬가지다. 

<토성의 중력이 태양계에 미치는 영향> 

목성 다음으로 질량이 큰 행성만큼 토성의 중력은 지금과 같은 태양계의 모양을 만드는데 많은 역할을 했다. 

해왕성과 천왕성을 밖으로 밀어낸 것으로 추정된다. 또 태양계 초기에 목성과 함께 부스러기들을 내부의 행성 쪽으로 밀어 넣었던 것으로 분석된다. 

<연구와 탐사> 

토성을 최초로 방문한 우주선은 1979년 파이오니어 11호로 토성의 2만2천km까지 접근했다. 파이오니어 11호는 토성의 강력한 자기장과 외부에 두 개의 고리가 더 있다는 사실을 새로 발견했다. 

이어 보이저 우주선은 토성의 고리가 좁은 고리들로 이뤄져 있고, 9개 위성의 존재를 확인하거나 새로 발견했다. 

현재 토성 궤도를 돌고 있는 카시니 우주선은 지금까지 만들어진 가장 큰 행성간 우주선이다. 2층 높이에 무게 6톤에 이르는 카시니는 얼음으로 덮힌 엔셀라두스 위성에서 수증기 기둥을 발견했으며 탑재된 호이겐스 탐사선을 타이탄 위성에 떨어트려 착륙시키는데도 성공했다. 

10년간의 탐사를 통해 카시니는 토성과 그 위성들에 대한 엄청난 양의 데이터를 보내왔다.