[태양계] 여섯번째 행성, 토성

토성(한자: 土星, 라틴어: Saturnus)은 태양으로부터 여섯 번째에 있는 태양계의 행성입니다. Saturn이라는 이름은 로마의 신 '사투르누스(Saturnus)'에 기원한 것으로, 영어로 토요일을 나타내는 Saturday도 여기서 나왔죠. 이는 그리스 신화에서의 제우스의 아버지인 크로노스, 바빌로니아에서는 니누르타(Ninurta)에 해당된다고 합니다. 또한 토성은 Jewel of the Solar System(태양계의 보석)이라는 별명도 가지고 있습니다. 토성은 태양계 행성 가운데 매우 멀리 있는데도 토성의 고리가 있기 때문에 밝은 빛으로 빛나며 수성보다도 밝은 빛을 내고 있습니다.

 

토성은 태양계 내의 행성 중 목성에 이어 두 번째로 크며, 지름은 약 12만 km로, 지구의 9.1배이며 부피는 760배에 달합니다. 이에 비해 질량은 지구의 95배밖에 안되기 때문에, 토성의 평균 밀도는 0.7g/cm3에 지나지 않습니다. 토성의 질량은 지구의 약 95.1배이며 지름은 9배인 12만 km 가량으로서 크기와 질량에서 목성 다음으로 태양계에서 큰 행성입니다. 하지만 토성의 부피는 지구의 760배나 돼 토성의 밀도는 태양계 내의 모든 천체뿐만 아니라 물보다도 작습니다. 토성의 표면온도는 섭씨 영하 180°C를 기록하고 있는데요, 토성의 온도가 낮은 이유는 태양과 너무 멀리 떨어져 있어 지구가 태양으로부터 받는 열량의 100분의 1밖에 받지 못하기 때문입니다. 이 추위 때문에 토성에서 암모니아는 물론 메탄 등이 결빙해 고체 형태로 존재하고 있습니다. 토성 상공 1,000km 아래는 수증기와 암모니아 구름이 공존하고 있으며 대기의 유동 속도가 커서 적도에서는 시속 1,800km의 강풍이 사납게 휘몰아치고 있습니다.

 

토성의 대기는 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 주류를 이루고 약간의 메탄과 암모니아가 첨가되어 있습니다. 수소와 헬륨이 대기의 거의 전부를 이루고 있죠. 조성 비율은 수소 93.2%에 헬륨 6.7%입니다. 이외에도 암모니아, 아세틸렌, 에테인, 인화수소, 메테인 성분도 적은 분량이지만 검출된다고 합니다. 토성의 내부는 중심 부분만 고체로 이루어져 있고, 나머지는 압축된 헬륨과 수소로 이루어진 것으로 추측됩니다. 토성은 태양과 약 14억 km 떨어져 대기층의 평균 온도는 목성보다 낮은 -145°C 정도입니다. 토성 표면에도 목성과 비슷한 가로줄 무늬와 반점이 있는데, 이것은 자전주기가 빨라서 대기의 격렬한 흐름과 소용돌이 때문에 나타나는 것입니다.

 

토성은 태양에서 14억 2,672만 km 떨어져 있어 공전하는데에 29.4571년이 걸리지만 자전속도는 매우 빨라서 목성보다 1시간 많은 10시간 33분 38초마다 한 번씩 자전합니다. 토성과 태양 사이의 평균 거리는 1,400,000,000 킬로미터(9 천문단위)이며, 공전궤도 평균 속도는 9.69km/s로 지구 시간으로 태양을 1회 공전하는 데에는 10,759일(29.5년)이 걸립니다. 토성 궤도 경사각은 지구 공전면에 대해 2.48도 기울어져 있습니다. 궤도 이심률이 0.056이기 때문에 토성과 태양 사이 거리는 태양에 가장 가까울 때와 멀어졌을 때 차이가 약 155,000,000 킬로미터나 된다고 합니다.

토성은 기체로 이루어진 행성이라 차등자전을 하며, 자전축은 공전궤도면에 비하여 약 27° 기울어져 있습니다. 기울어져서 공전을 하므로 지구처럼 계절이 생기죠. 지구에서 봤을 때 대략 30년을 주기로 고리의 모습이 바뀌게 됩니다. 고리의 평면이 태양과 일치할 때 우리의 시각에서는 토성의 고리가 보이지 않으며, 한 주기에 두 번, 약 15년에 한 번씩 일어나게 됩니다. 다른 유체 천체와 마찬가지로 토성 표면에 보이는 구조들은 위도에 따라 다른 속도로 행성을 일주하고 있습니다. 속도 차이에 따라 계(系:) I, II로 나눌 수 있는데요, 계 I은 공전 주기 10시간 14분 00초로 지구 시간 1일에 844.3도 회전하며 ‘적도 지역’(남방 적도대의 북쪽 경계면부터 시작하여 북방 적도대의 남쪽 경계면까지 미치는 부분)이 여기에 해당됩니다. 계 I 지역을 뺀 나머지 부위는 같은 속도로 자전하며 이를 계 II라고 부르고 있습니다. 계 II는 공전 주기 10시간 39분 24초로 지구 시간 1일에 810.76도 회전합니다. 보이저 호 플라이바이 때 행성으로부터 방출된 전파에 기반하여, 새로운 지역 계 III를 정의하고 있는데요, 이 지역의 공전 주기는 10시간 39분 22.4초로 지구 시간 1일에 810.8도 회전합니다. 계 II와 III의 물리적 수치는 매우 비슷한 경향을 보이고 있습니다.

토성의 고리를 눈 앞에서 실제로 본다면 얼마나 경이로울까요.

 

그리고 토성의 표면 중력은 지구와 비슷합니다. 또한 토성은 목성, 천왕성, 해왕성과 함께 목성형 행성으로 분류되고 있습니다. 토성의 밀도는 태양계 행성들 중 가장 낮습니다. 자전 속도는 빠르며 표면은 고체가 아니죠. 이러한 요소들이 결합하여 토성의 외관은 육안으로도 구분될 정도로 회전 타원체 형태로 눌려 있는 것입니다. 토성의 극반지름과 적도 반지름은 대략 10% 정도 차이가 나는데, 극 반지름은 54,364km임에 반해 적도 반지름은 60,268km에 이릅니다. 다른 가스 행성들도 찌그러진 것은 마찬가지이나, 토성처럼 심한 경우는 없다고 하네요. 토성의 중심핵 부분의 밀도는 높을 것으로 예상되지만, 전체적인 토성의 밀도는 0.69g/mL에 불과합니다. 따라서 토성의 질량은 지구의 95배 정도라고 하는데요.(목성의 질량은 지구의 318배에 이르지만, 반지름은 토성보다 20퍼센트 더 큰 정도) 토성은 물에 띄워진다고들 하지만 토성은 물에 띄워지는 성질이 아니고, 밀도만 따지면 그렇다는 것입니다. 토성을 담을 정도의 물은 액체상태를 유지할 수가 없습니다.

 

토성은 목성과 모든 면에서 아주 비슷하지만 아름다운 고리를 가지고 있습니다. 토성에 대한 연구는 1610년 갈릴레이에 의해 본격적으로 시작되었으며 그는 처음에 토성의 고리를 보고 이것을 '토성의 귀 또는 손잡이'라고 부르기도 했다고 합니다. 1609년 갈릴레이는 망원경으로 토성을 관찰하다가 토성의 양쪽에 귀 모양의 괴상한 물체가 붙어 있다가 밤이 깊어지면 차츰 사라지는 것을 발견했고, 이후 갈릴레이는 이 때부터 약 3년 동안 토성의 두 개의 귀가 보이지 않을 때까지 관측을 계속했다고 합니다. 그러나 훗날 그가 죽은 뒤 50년 후인 1659년 네덜란드의 천문학자인 호이겐스(Huygens)에 의해 그것이 고리라는 것이 밝혀지게 되었습니다. 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 알아냈습니다. 또한, 그는 고리 사이의 검은 선으로 보이는 거대한 간격을 찾아냈으며, 이 간격이 바로 '카시니간극(카시니 틈, Cassini division)' 이라고 불리는 것입니다.

 

최근의 보이저가 관측할 때까지는 너무 희미해서 상세하게 알 수는 없었는데요, 토성의 신비는 태양계 탐사 우주선 보이저 1,2호에 의해 낱낱이 밝혀졌습니다. 우주선으로 관측한 결과 토성의 고리는 수많은 얇은 고리들로 이루어져 있었고, 이 고리들은 레코드판처럼 곱게 나열되어 있습니다. 토성의 고리는 적도 면에 자리 잡고 있으며 토성 표면에서 약 7만~14만km까지 분포하고 있습니다. 토성의 고리는 아주 작은 알갱이크기에서부터 기차만한 크기의 얼음들로 이루어져 있죠. 토성의 고리는 적도면에 자리잡고 있으며 토성 표면에서 7만 14만 km까지 뻗쳐 있습니다. 그래서 토성의 고리 두께는 약 7만 km에 이릅니다. 한 개의 작은 고리 두께는 50m에 불과한 것도 있습니다. 토성의 고리 표면은 수근 알갱이 만한 것에서부터 기차 크기 만한 얼음들이 널려 있어 얼음 조각 작품의 전시장을 방불케 한다고 합니다.

 

많은 천문학자들은 토성이 생성된 뒤 남은 물질이 고리를 이룬 것으로 추측하고 있습니다. 즉 성운에서 토성이 생성되고, 이와 같은 시기에 고리도 생성되었다는 가설이죠. 이는 토성의 거대한 고리계를 설명할 수 있으며, 고리의 희박한 밀도 등 여러 가지를 설명할 수 있으나, 어떻게 고리계가 45억 년 이상 유지될 수 있었는지 설명하기는 조금 어려운 부분이 있습니다. 일부 천문학자들은 토성의 고리에 대하여 토성의 강한 중력을 못 이겨 산산조각이 난 위성의 잔해물이라 주장합니다. 즉 위성이나 유성체, 혜성과 같은 천체들이 토성에 가까이 접근하면 조석력에 의하여 부서지게 되고, 이후 잔해들이 남아 상호 마찰로 인해 더욱 잘게 부서져 고리를 형성한다는 것입니다.

 

토성에는 모두 60개의 위성이 있는 것으로 2006년 11월까지 확인되었으나, 2019년 10월에 와서 토성의 위성은 83개이며 현재까지 태양계 중 가장 위성이 많은 것으로 밝혀졌고, 앞으로 더 발견될 수도 있을 것이라고 합니다. 토성의 위성 중 하나인 타이탄은 크기 5150km, 질량 1.35*10^23으로, 태양계 위성 중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성입니다. 타이탄은 표면 중력이 작음에도 불구하고 온도가 낮아 대기를 가지고 있고, 1944년 천문학자 카이퍼는 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했습니다. 타이탄은 발견 역사가 가장 오래됐고 다른 태양계 위성 중에서는 볼 수 없는 얼음이 지표면에 존재하고 있습니다.

 

언젠가 우주여행을 통해 토성의 아름다운 고리를 직접 눈 앞에서 볼 날이 있을까요 :)

 

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2023.03.31 - [우주과학] - [태양계] 다섯번째 행성, 목성

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