목차
● 토성의 특징
● 토성의 고리
● 토성의 위성
토성의 특징
토성(Saturnus)은 태양으로부터 여섯 번째 있는 태양계의 행성입니다. 토성은 태양계 내의 행성 중에서 목성에 이어서 두 번째로 크고, 지름은 약 12만 km로 지구의 9.1배입니다. 부피는 무려 약 760배에 달합니다. 그에 비해 질량은 지구의 약 95배 정도밖에 되지 않습니다. 토성의 중력은 지구와 비슷합니다. 또 토성은 목성, 천왕성, 해왕성과 함께 목성형 행성으로 분류됩니다.
Saturn은 로마의 신 "사투르누스(Saturnus)"에서 기원한 것입니다. 영어로 토요일을 나타내는 Saturday도 여기서 유래되었는데 이는 그리스 신화에서 제우스의 아버지인 크로노스, 바빌로니아에서는 니누르타(Ninurta)에 해당됩니다. 또 토성은 Jewel of the Solar System(태양계의 보석)이라는 별명도 있습니다.
토성의 질량은 지구의 약 95배이고 지름은 약 9.1배인 12만 km가량으로 크기와 질량에서 목성 다음으로 태양계에서 튼 행성입니다. 하지만 토성의 부피는 지구의 약 760배나 되기 때문에 토성의 밀도는 태양계 내의 모든 천체뿐만 아니라 물보다도 작습니다. 토성의 대기는 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 주류를 이루고 있고 약간의 메탄과 암모니아가 첨가되어 있습니다. 토성의 표면 온도는 섭씨 영하 180도를 기록하고 있습니다. 토성의 온도가 낮은 이유는 태양과 너무 멀리 떨어져 있기 때문으로 지구가 태양으로부터 받는 열량의 100분의 1밖에 받지 못합니다. 이러한 추위 때문에 토성에서는 암모니아는 물론 메탄 등이 결빙해 고체 형태로 존재합니다. 이 때문에 토성 상공 1,000km 아래에는 수증기와 암모니아 구름이 존재하고 있고 대기의 유동 속도가 커서 적도에서는 시속 1,800km의 강풍이 휘몰아칩니다. 토성은 태양에서 약 14억 2,672만 km 떨어져 있어서 공전하는 데에만 29.4571년이 걸리지만 자전속도는 매우 빨라서 목성보다 1시간 많은 10시간 33분 38초마다 한 번씩 자전합니다. 토성은 태양계 행성 가운데 멀리 있는데도 불구하고 토성의 고리가 있기 때문에 밝은 빛으로 빛나며 수성보다도 밝은 빛을 냅니다.
토성의 고리
토성의 고리는 다른 태양계 행성들의 고리에 비해 눈에 잘 띄어서 유명합니다. 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 이용해 토성의 고리를 처음 관측하였습니다. 하지만 당시에는 그것이 고리라는 것을 확실히 알아내지 못했고, 갈릴레이는 그것을 토성에 귀가 있다고 표현을 하였습니다.
1609년 갈릴레이는 망원경으로 토성을 관찰하다가 토성의 양쪽으로 귀 모양의 물체가 붙어 있다가 밤이 깊어지면 점점 사라지는 것을 발견하였습니다. 갈릴레이는 이때부터 약 3년 동안 토성의 두 개의 귀가 보이지 않을 때까지 관측을 계속했습니다. 그 후로부터 50년 뒤 네덜란드 천문학자 호이겐스가 토성의 "양쪽의 귀"의 실체를 정확히 밝혀냈습니다. 그것은 귀가 아니라 토성의 고리라는 것인데 호이겐스는 이 엄청난 정보를 혼자만 알고 있을 수 없어서 3년 뒤에 발표하였습니다. "토성의 양쪽 귀는 얇은 고리이다. 이 고리는 토성에 붙어 있지 않고 떨어져 있다."라고 호이겐스가 이런 내용을 설명한 자리에 있던 사람들은 모두 놀랐습니다. 1675년 이탈리아 천문학자 카시니는 더욱 좋은 망원경을 이용하여 토성의 고리를 자세히 관찰해 토성의 고리가 하나가 아니라 여러 개로 이루어져 있다는 것을 알아냈습니다. 또 그는 고리 사이의 검은 선으로 보이는 거대한 간격을 찾아냈으며 이 간격이 바로 "카시니간극(카시니 틈, Cassini divison)"입니다.
우주선으로 관측한 결과 토성의 고리는 수많은 얇은 고리들로 이루어져 있었고, 이 고리들은 레코드판처럼 나열되어 있습니다. 토성의 고리는 적도 면에 자리 잡고 있고 토성의 표면에서 약 7만~14만 km까지 분포하고 있습니다. 토성의 고리는 아주 작은 알갱이크기에서부터 기차만큼 커다란 크기의 얼음으로 이루어져 있습니다.
많은 천문학자들은 토성이 생성된 뒤 남은 물질이 고리를 이룬 것으로 추측하고 있습니다. 성운에서 토성이 생성되고, 이와 같은 시기에 고리도 생성되었다는 설입니다. 이는 토성의 거대한 고리계를 설명할 수 있고, 고리의 희박한 밀도 등 여러 가지를 설명할 수 있지만, 고리계가 어떻게 45억 년 이상 유지될 수 있었는지는 설명하기 어렵습니다. 일부 천문학자들은 토성의 고리에 대해 토성의 강한 중력을 못 이겨 산산조각이 난 위성의 잔해물이라고 주장합니다. 즉 위성이나 유성체, 혜성과 같은 천체들이 토성에 가까이 접근하면 조석력에 의해 부서지고, 그 이후 남은 잔해들이 상호 마찰로 인하여 더욱 잘게 부서져서 고리를 형성한다는 것입니다.
토성의 위성
토성은 많은 수의 위성을 가지고 있습니다. 이 위성들은 대부분 얼음 덩어리로 이루어져 있으며, 일부는 암석도 섞여 있습니다. 토성에는 현재 확인된 위성이 145개가 있으며, 공식적으로 이름이 붙여진 위성은 62개입니다. 목성의 가니메데에 이어 두 번째로 큰 위성인 타이탄은 주로 질소와 메탄으로 이루어진 짙은 대기를 보유하고 있는 유일한 위성으로 알려져 있습니다.
토성의 위성들을 보면 상대적으로 커다란 위성은 처음 생긴 충돌구가 그대로 보존되어 있지 않습니다. 어떠한 내부 열원으로 표면이 변했다는 것을 추측할 수 있습니다. 하지만 상대적으로 작은 위성들은 충돌구가 그대로 보존되어 있었습니다. 따라서 천문학자들은 토성의 위성이 몇 개의 큰 천체가 깨져서 생성된 것이라고 추측하고 있습니다.
토성에는 태양계에서 두 번째로 큰 위성인 타이탄을 가지고 있습니다. 타이탄은 지름 약 5,150km, 질량 약 1.37x1023으로, 태양계의 위성중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성입니다. 타이탄은 표면 중력이 작은데도 불구하고 온도가 낮아 짙은 대기를 가지고 있었는데, 1944년 천문학자 제러드 카이퍼는 타이탄의 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했습니다. 타이탄의 대기는 대부분 질소로 이루어져 있고 메탄과 아르곤, 미량의 수소분자, 그리고 일산화탄소들이 존재합니다.
타이탄이 발견된 후 조반니 도메니코 카시니는 1671년부터 1684년 사이에 이아페투스, 테티스, 디오네 등 몇 개의 토성의 위성들을 발견해 토성의 연구에 큰 공을 세웠습니다. 카시니가 발견한 위성들은 목성의 가장 작은 갈릴레이 위성 유로파보다 훨씬 작은 것들이었습니다. 이 가운데 이아페투스는 특이한 표면을 가지고 있습니다. 토성의 다른 위성보다 약 10~15배 이상 밝은 이아페투스의 땅은 온통 밝은 색은 아니고 밝은 곳은 눈처럼 희고 어두운 곳은 숯을 연상할 정도로 어둡다고 알려져 있습니다. 보이저 1호는 이아페투스의 두 면 가운데 밝은 쪽은 얼음으로 덮여있고 어두운 쪽은 먼지들로 이루어져 있다는 것을 밝혀냈습니다. 디오네의 지름은 약 1,120km이고 토성에서 약 37만 7천 km 떨어진 위치에 있는데 약 2.7일 주기로 토성을 한 바퀴 돕니다.
19세기말에는 토성의 위성이 9개 정도하고 알려졌었습니다. 9번째 포에베(Phoebe)는 1898년 미국 천문학자 에드워드 찰스 피커링이 발견했습니다. 포에베는 토성의 다른 위성과 정반대 방향으로 공전하고 있어서 천문학자들이 주의 깊게 관찰한 바 있습니다. 포에베는 그때까지 발견된 토성의 위성 가운데서 가장 멀리 떨어져 있어서 토성으로부터의 평균거리가 약 1천3백만 km나 되고, 토성을 공전하는 데는 약 550일이 걸립니다. 토성의 위성에는 분화구가 많은 것이 특징입니다. 이중에 미마스(Mimas)는 자신의 크기에 비해 큰 분화구를 가지고 있어서 집중을 받고 있습니다. 이 분화구는 미마스 면적의 4분의 1 정도를 차지합니다.