고리가 아름다운 토성 - Saturn

고리가 아름다운 토성 - Saturn

고리가 아름다운 토성

고리가 아름다운 토성

토성은 아름다운 고리를 가진 행성으로 많은 사랑을 받는 행성이다. 토성의 고리는 1610년 갈릴레이에 의해 처음 관측되었다. 하지만 망원경의 해상도가 낮아 확실한 모양을 몰랐다. 훗날 그가 죽은 뒤 약 50년 후인 1656년 네덜란드의 천문학자인 호이겐스(Christiaan Huygens)에 의해 그것이 고리라는 것이 밝혀졌다. 토성의 신비는 태양계 탐사 우주선 보이저(voyager) 1,2호에 의해 많이 밝혀졌다. 지금까지 밝혀진 토성의 위성은 수십 개이며, 그 가운데 신비한 위성 타이탄(titan)이 있다. 이 위성은 태양계의 다른 위성 중에서는 보기 힘든 짙은 대기로 감싸여 있다. 그리고 토성은 목성에 이어 태양계에서 두 번째로 크며, 직경은 지구의 약 9.5배, 질량은 약 95배이다. 그리고 태양으로부터 14억km 정도 떨어진 거리에서 약 9.7km/s의 속도로 공전하는 데, 이는 지구 시간으로 대략 29.6년이나 걸린다.

신화로 보는 토성

토성의 영어이름인 새턴(Saturn)은 로마 신화의 농경의 신 사투루누스(Saturnus)에서 유래한 것이다. 태양에서 멀고 운행이 느려 늙은 신의 이름이 붙여졌다. 또한 그리스 신화에서는 태초의 신중 하나인 크로노스가 해당한다. 크로노스는 제우스의 아버지이지만 제우스에게 쫓겨났다고 한다.

 

토성의 물리적 성질

토성의 물리적 성질

대기

토성의 대기에는 목성과 마찬가지로 띠가 존재하는데, 목성보다 희미하고 적도면에서는 상대적으로 두껍다. 하지만 상대적으로 목성에 비해 소용돌이가 적고, 가끔 커다란 소용돌이가 나타나지만 목성의 대적반에 비해 아주 작다.

토성 대기의 구성성분 또한 목성과 비슷하다. 지금까지 메탄, 암모니아, 에탄, 헬륨, 수소분자 등이 검출되었고, 수소분자가 가장 풍부하다고 한다. 그리고 온도가 낮아 구름들이 낮은 고도에 위치하여 목성에 비하여 색이 뚜렷하지 않다.

온도

토성의 표면(구름의 윗부분)의 온도는 약 -176°C로 아주 낮다. 그리고 토성 또한 목성처럼 태양으로부터 받는 에너지의 양보다 더 많은 에너지를 발산한다. 하지만 목성과 같이 중력수축에 의한 에너지로는 설명이 부족하다. 따라서 천문학자들은 그 에너지의 원천을 헬륨강우(Helium rain)에 두고 있다. 즉 다른 목성형 행성들에 비하여 대기 상층부에 헬륨의 적은 것으로 설명하는 것인데, 온도가 낮은 토성에서는 헬륨들이 아래로 하강하면서 액체수소 속을 지나갈 때 그 마찰에 의하여 에너지가 발생한다는 것이다.

내부구조

토성은 목성에 이어 태양계에서 2번째로 큰 행성이지만 태양계 안에서 가장 밀도가 낮은 약 687kg/m³이다. 이는 물의 밀도 보다 낮은 수치이며, 때문에 '만약 토성을 물에 넣을 수 있다면 물에 뜬다.'고 설명되는 경우가 많다. 토성은 겉보기에도 납작하게 보이며 편평도는 0.108이다. 이것은 토성의 빠른 자전과 유동체의 성질 때문이다. 다른 기체행성도 편평하긴 하나 토성만큼은 아니다.

이러한 토성의 내부는 목성과 매우 유사하다. 가장 내부에 얼음과 핵으로 이루어졌다고 여겨지는 핵이 존재할 것이고, 그 위로 액체 금속수소가 있다. 그 바깥에는 비균질이란 층이 있는데 이는 헬륨이 작은 물방울형태로 존재하고, 이들이 하강하면서 에너지가 발생하는 것으로 알려져 있다.그 위로는 수소분자들의 층이 있다고 알려져 있다.

자전

토성은 탐사선의 관측결과에 따르면 약 10시간 39분을 주기로 자전을 한다. 그리고 토성 또한 기체로 이루어진 행성이라 차등자전을 하며, 자전축은 공전궤도면에 비하여 약 27° 기울어져 있다. 그리고 거대한 몸에 비해 빠른 속도로 자전을 하여, 납작한 형태를 하고 있다.

궤도

토성은 태양으로부터 약 14억km 떨어져 공전을 하고 있다. 이를 약 9.65km/s의 속도로 천천히 공전을 한다. 궤도의 이심률은 0.054이며, 이에 따라 태양과 가까울 때는 약 13억5천만km 까지 다가오고 멀리 떨어질 때는 약 15억km까지 멀어진다.

토성의 자전축은 기울어져 있는데 기울어져서 공전을 하면 지구처럼 계절이 생기고, 지구에서 봤을 때 대략 30년을 주기로 고리의 모습이 바뀌게 된다, 고리의 평면이 태양과 일치할 때 우리의 시각에서는 토성의 고리가 보이지 않는다. 이것은 한 주기에 두 번 즉 약 15년에 한 번씩 일어나는 현상이다.

자기권

토성의 경우도 목성처럼 액체금속수소로 인해 자기장이 존재한다고 알려져 있다. 지구의 용융상태의 철, 니켈의 핵과 같은 방식이다. 하지만 목성에 비해 약한 자기장을 지니고 있고, 태양풍이 강할 때는 토성의 반지름의 약 20배까지 줄어들었다가 태양풍이 약해지면 30배 이상까지 늘어난다고 한다.

 

토성의 고리

토성의 고리

토성의 고리는 1609년 갈릴레이(Galileo Galilei)가 최초로 발견하였다. 갈릴레이는 그 당시 망원경 성능이 좋지 못해 자신이 발견한 것이 고리임은 확실하게 알지 못했고, ‘토성의 양쪽에 귀 모양의 괴상한 물체가 붙어 있다’고 표현했다. 그로부터 약 50년 뒤 네덜란드의 천문학자 호이겐스(Christiaan Huygens)가 토성의 '양쪽의 귀'는 고리임을 밝혀냈다. 그리고 1675년 이탈리아의 천문학자 카시니(Jean Dominique Cassini)는 더욱 좋은 망원경을 이용해 토성의 고리를 자세히 관찰하여 토성의 고리가 하나가 아니라 여러 개로 이루어져 있다는 것을 알아냈다. 또한 그는 고리사이의 거대한 간격을 찾아냈으며, 이 간격이 바로 '카시니 틈'이다.

우주선으로 관측한 결과 토성의 고리는 수많은 얇은 고리들로 이루어져 있었고, 이 고리들은 레코드판처럼 곱게 나열되어 있다. 토성의 고리는 적도면에 자리 잡고 있으며 토성 표면에서 약 7만~14만km까지 분포하고 있다. 따라서 토성의 고리 너비는 약 7만 km에 이른다. 토성의 고리는 아주 작은 알갱이크기에서 부터 기차만한 크기의 얼음들로 이루어져 있다.

많은 천문학자들은 토성이 생성된 뒤 남은 물질이 고리를 이루는 것이라 추측하고 있다. 즉 성운에서 토성이 생성되고, 이와 같은 시기에 고리도 생성되었다는 설이다. 이는 토성의 거대한 고리계를 설명할 수 있으며, 고리의 희박한 밀도 등 여러 가지를 설명할 수 있으나, 어떻게 고리계가 45억년 이상 유지될 수 있었는지 설명하기는 어렵다. 그리고 일부 천문학자들은 토성의 고리에 대하여 토성의 강한 중력을 못 이겨 산산조각이 난 위성의 잔해물이라 주장한다. 즉 위성이나 유성체, 혜성과 같은 천체들이 토성에 가까이 접근 하면 조석력에 의하여 부서지게 되고, 이후 잔해들이 남아 상호 마찰로 인해 더욱 잘게 부서져 고리를 형성한다는 것이다.

 

토성의 위성

토성의 위성

토성은 수십 개의 위성을 가지고 있다. 이 위성들은 대부분 얼음 덩어리로 이루어져 있고, 일부는 암석도 섞여 있다. 토성의 위성들을 보면 상대적으로 커다란 위성은 처음생긴 충돌구덩이가 그대로 보존되어져 있지 않았다. 즉 어떠한 내부 열원으로 표면이 변했다는 것을 추측할 수 있다. 하지만 상대적으로 작은 위성은 충돌구덩이가 그대로 보존 되어 있었다. 따라서 천문학자들은 토성의 위성이 몇 개의 큰 천체가 깨어져 생성된 것이라 추측하고 있다.

토성에는 태양계에서 두 번째로 커다란 위성인 타이탄(Titan)을 가지고 있다. 타이탄은 크기 약 5150km, 질량 약 1.37×1023으로, 태양계 위성 중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성이다. 타이탄은 표면 중력이 작음에도 불구하고 온도가 낮아(약 -180°C) 짙은 대기를 가지고 있었고, 1944년 천문학자 카이퍼(Gerard Peter Kuiper)는 타이탄의 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했다. 타이탄의 대기는 대부분 질소로 이루어져 있으며, 메탄과 아르곤, 그리고 미량의 수소분자, 일산화탄소 등이 존재 한다.

타이탄이 발견된 후 카시니는 1671년부터 1684년 사이에 이아페투스(Iapetus), 테티스(Tethys), 디오네(Dione) 등 몇몇 토성의 위성들을 발견해 토성 연구에 큰 공을 세웠다. 카시니가 발견한 위성들은 목성의 가장 작은 위성 유로파보다 훨씬 작은 것들이었다. 이 가운데 이아페투스의 지름은 약 1440km이고 가장 작은 테티스는 약 1060km에 이르렀다. 이아페투스는 특이한 표면을 가지고 있다. 토성의 다른 위성보다 약 10~15배 이상 밝은 이아페투스의 땅은 온통 밝은 색이 아니고 밝은 곳은 눈처럼 희고 어두운 쪽은 숯을 연상할 정도로 어둡다고 알려져 있다. 보이저 1호는 이아페투스의 두 면 가운데 밝은 쪽은 얼음으로 덮여 있고 어두운 쪽은 먼지들로 이루어졌다는 것을 밝혀냈다. 디오네의 지름은 약 1120km이며 토성에서 약 37만 7000km위치에 자리 잡고 있는데 약 2.7일 주기로 토성을 한 바퀴 돈다. 19세기말에는 토성의 위성이 아홉 개 정도라고 알고 있었다. 아홉 번째 포에베(Phoebe)는 1898년 미국 천문학자 피커링에 의해 발견됐다. 이 포에베는 토성의 다른 위성과 정반대 방향으로 회전해 천문학자들이 주의 깊게 관찰 있다. 포에베는 토성의 위성 가운데 가장 멀리 떨어져 있어 토성으로부터의 평균거리가 약 1천3백만 km나 되며, 토성을 공전하는 데는 약 550일이 걸린다. 토성의 위성에는 분화구가 많은 것이 특징이며, 이중 미마스는 자신의 크기에 비하여 큰 분화구를 가지고 있어 집중을 받고 있다. 이 분화구는 미마스 면적의 4분의 1정도를 차지한다.

이아페투스

 

테티스

 

포에베

 

디오네

 

미마스

 

타이탄

 

토성 탐사

토성 탐사

파이오니어(Pioneer) 11호

토성에 처음 접근한 탐사선은 파이오니어 11호이다. 1979년 9월 1일에 약 20,000km거리에서 토성과, 몇 개의 위성의 사진을 촬영했다. 해상도는 좋지 못했지만 지표의 대기를 식별할 수 있었다. 또한 이 탐사선은 타이탄의 온도를 측정했다.

보이저(Voyager) 1, 2호

1980년 11월에 보이저 1호가 토성으로 접근했다. 이때 처음으로 이 토성과 토성의 위성, 고리의 고해상도 사진을 얻을 수 있었다. 특히 위성의 지표 이미지를 처음으로 얻었고, 또한 타이탄에 접근하여 대기에 관한 많은 정보를 얻었다. 하지만 타이탄의 대기는 너무 짙어서 지형에 대한 자세한 데이터는 얻을 수 없었다.

1981년 10월 보이저 2호가 토성에 접근했다. 토성의 대기와 고리의 변화를 알 수 있을 정도로 선명한 영상을 얻을 수 있었다. 탐사선은 고리의 내부와 근처에 많은 위성을 발견하였다.

카시니-호이겐스(Cassini Huygens)호

2004년 7월 1일, 카시니 호는 토성궤도에서 장기간탐사SOI(Saturn Orbit Insertion)를 시작했다. 그리고 2005년 1월 호이겐스 탐사선은 토성의 위성인 타이탄 지표에 투하되었다. 투하 과정에서 대기분석 등의 미션을 수행하고 무사히 착륙하였다. 2008년에 카시니는 미션을 종료할 예정이었으나 2년 연장되어 지금도 미션 수행중이다.

미 항공우주국(NASA)의 단독 미션이었던 파이오니어, 보이저와 달리 카시니는 탐사선 본체를 NASA, 호이겐스를 유럽우주기구(ESA)가 담당한 공동 미션이었다.

출처 : 한국천문연구원 천문우주지식 정보

 

타이탄의 세계 지도 - 토성 위성 (global map of Titan)

타이탄의 세계 지도 - 토성 위성 (global map of Titan)