태양계 - 토성

  토성은 두 번째로 큰 행성이다. 지름은 약 12만 km로서 지구 지름의 10배나 되며, 질량은 지구 질량의 95배나 된다. 밀도는 700kg/m^3로서 물의 밀도보다 작다. 자전축은 궤도면에 대하여 약 27도 기울어져 있어서 15년마다 북극 또는 남극 영역이 지구를 향하여 되어 잘 관측된다.

  자전 주기는 10시간 39.4분으로서 이는 1981년 보이저 탐사선이 검출한 자기장의 주기적인 변화로부터 결정된 것이다. 그러나 2004년 카시니 탐사선은 토성의 자전 주기가 10시간 45분임을 관측했지만, 이와 같이 자전 주기의 변화가 나타난 이유에 대해서는 알려져 있지 않다. 빠른 자전 때문에 토성은 편평도가 1/10 정도로 편평한 모습을 가져서 작은 망원경으로도 이처럼 편평한 모습을 볼 수 있다.

  토성의 내부 구조는 목성과 흡사하다. 토성은 목성보다 작기 때문에 금속 수소층이 목성만큼 두껍지 않다. 토성은 태양에서 받는 에너지 플럭스의 2.8배 정도의 열복사를 방출하고 있다. 이처럼 초과 열에너지는 헬륨에 의해 나타난 것이다. 헬륨 원자들이 점점 내부로 가라앉게 되고 이로부터 나타난 퍼텐셜 에너지가 열복사의 형태로 방출된다. 토성 대기에 있는 헬륨의 양은 목성 대기에 에 있는 헬륨 양의 절반 정도에 지나지 않는다.

  토성에서 나타나는 강풍 또는 제트기류는 목성에서 나타나는 것과 비슷하지만 그 모습은 덜 화려하다. 지구에서 볼 때 토성은 노르스름하게 보이며 토성 표면에는 눈에  만한 특징도 없다. 구름도 목성의 경우보다 특징이 적은데, 그 까닭은 수소, 암모늄, 메탄으로 구성된 얇은 안개가 구름의 상단을 가리고 있기 때문이다. 토성은 목성보다 태양에서 더 멀리 떨어져 있기 때문에 토성이 받는 태양에너지 양도 목성과 다르다.

  구름 상단에서의 온도는 약 94K이다. 적도 근처에서 바람의 속도는 400m/s를 넘으며 적도를 중심으로 40도의 범위를 갖는 영역에서는 바람의 방향이 항상 동일하다. 이와 같이 빠른 바람의 속도는 외부에서 들어온 태양열만으로 설명될 수 없고 내부의 열에너지 플럭스에 의해 나타난 것이다.

  토성에서 가장 돋보이는 모습은 토성의 적도 면에 걸쳐 있는 얇은 고리이다. 토성의 고리는 작은 망원경으로도 관측이 가능하다. 이 고리는 1610년 갈릴레이가 발견하였으며, 그 후 45년 만에 허위헌스는 관측된 형체가 실제로 고리이지 갈릴레이가 보았던 것처럼 이상하게 움직이는 두 개의 둥근 천체가 아님을 확립하였다. 1857년 맥스웰은 고리가 고체로 된 하나의 물체가 될 수 없으며 작은 입자로 구성되었음을 이론적으로 증명하였다.

  고리는 보통의 작은 얼음 덩어리로 구성되어 있다. 고리를 이루는 입자들은 수 마이크론에서 화물차 크기에 이르기까지 그 크기가 다양하다. 그러나 대부분 입자는 센티미터에서 미터 범위의 크기를 갖는다. 고리는 최대 100m 정도이지만 아마 수 미터 정도일 것이다. 카시니 탐사선은 또한 고리 주위의 산소 분자를 발견하였는데 이는 아마도 고리에서 분리된 얼음으로부터 생성된 것으로 생각된다.

  지구에서 볼 때 고리는 세 부분으로 나뉘는데 각각 A, B, 그리고 C로 부른다. 가장 안쪽에 있는 C 고리는 폭이 17,000km이고 매우 얇은 물질로 구성되어 있다. C 고리 안쪽에도 물질이 존재하고(D 고리라고 부른다) 뿌옇게 분포하는 입자들은 토성의 구름에 이르기까지 널리 퍼져 있다.

  B 고리는 가장 밝은 고리에 해당한다. 이 고리의 전체 폭은 26,000km이지만, 수천 개의 좁고 작은 고리들로 나뉘어 있음이 탐사선에 의해 밝혀졌다. 지구에서 보면 B 고리는 다소 균일해 보인다. A 고리와 B 고리 사이에는 3,000km나 되는 틈이 있는데 이를 카시니 틈이라고 부른다. 이 틈에는 과거에 생각했던 것처럼 물질이 전혀 존재하지 않는 것은 아니다. 이 영역에도 물질이 존재하며, 극히 좁고 작은 고리가 존재하고 있음이 보이저 탐사선에 의하여 발견되었다.

  A 고리는 B 고리에서 확실하게 보이는 것처럼 폭이 좁은 작은 고리들로 나뉘어 있지 않다. 좁지만 뚜렷하게 보이는 하나의 틈인 엔케 틈이 고리의 바깥쪽 경계면에 인접해 있다. 고리 밖으로 약 800km 떨어진 거리에 위치한 양치기 위성 때문에 고리의 바깥쪽 경계면의 윤곽이 매우 뚜렷하다. 이 양치기 위성은 고리를 이루는 입자가 보다 큰 궤도로 확산하 나가는 것을 막아주고 있다. 고리 안에 있는 아직 발견되지 않은 작은 위성들로부터 B 고리의 모습을 살펴볼 수 있다.

  1979년에 발견된 F 고리는 A 고리 밖으로 약 3,000km에 위치하고 있다. 이 고리의 폭은 수백 킬로미터에 지나는 않는다. 이 고리 양편에는 작은 위성이 하나씩 존재하는데 이 위성들도 고리가 확산하는 것을 막고 있다. 고리의 안쪽을 지나는 위성은 고리의 입자들이 더 큰 궤도를 그릴 수 있도록 입자를 밀어내며, 고리의 바깥쪽을 도는 위성은 입자들이 안쪽으로 들어가도록 힘을 제공한다. 이러한 두 가지 효과로 인하여 결국 고리는 언제나 좁은 상태로 유지된다.

  F 고리 밖에는 G 고리와 F 고리라고 하는 물질의 밀도가 굉장히 희박한 영역이 존재한다. 이 고리들은 단순히 작은 입자들로만 구성된 형태는 아니다.

  토성의 고리는 토성과 함께 형성되었을 가능성이 크며, 붕괴된 위성의 잔해와 같이 천문학적인 격변 현상으로 생긴 물질의 잔해는 아니다. 고리의 총 질량은 토성 전 질량의 1/10^7배 정도 밖에 안 된다. 거리를 이루는 물질들을 모두 모아 놓는다면 600km 되는 얼음 덩어리를 만들 정도의 양이다.

  2006년 말 기준으로 토성에는 총 56개의 위성이 알려져 있다. 토성의 큰 위성 대부분은 파이오니어 11호와 보이저 1호 및 2호 의해서 발견되었다. 타이탄을 제외한 모든 큰 위성들은 주로 얼음으로 구성되어 있다. 토성의 거리에서 원시성은 온도는 매우 낮았을 것이므로 순수한 얼음 덩어리가 형성되어 그대로 남아 있을 수 있다.

  어떤 위성들은 동역학적으로 흥미로운 특징을 나타낸다. 즉 몇몇 위성들은 매우 특이한 지질학적 역사를 갖고 있다. F 고리 밖으로는 에피메테우스와 마누스라는 2개의 작은 위성이 거의 같은 궤도를 돌고 있는데 그들의 궤도장반경의 차는 50km 정도로 두 위성 자체의 반지름보다도 작다. 안쪽을 도는 위성은 바깥쪽으로 도는 위성을 앞질러 간다. 그러나 뒤따라가는 위성의 속도는 점점 증가하여 바깥쪽으로 움직이게 되므로 두 위성은 결코 충돌하지 않는다. 앞서가는 위성의 속도는 감소하여 안쪽으로 움직이게 된다. 결국 두 위성은 대략 4년마다 역할을 서로 교환한다. 아틀라스, 프로메테우스,  판도라와 같은 양치기 위성들은 고리가 원래의 위치에 잘 놓여서 유지되도록 해 준다. 이 위성들은 중력은 고리를 구성하는 입자들이 표류하지 않도록 인력으로 작용한다.

  나이가 많은 위성 중 가장 안쪽에 있는 것이 미마스이다. 이 위성에는 지름이 100km이고 깊이가 9km 되는 거대한 구덩이 하나가 존재한다. 태양계 내에는 이보다 더 는 구덩이가 존재하지만 모행성에 대한 상대적 크기로는 미마스의 구덩이가 가장 크며 아마도 이 크기는 모행성이 수행할 수 있는 최대의 것으로 생각된다(그렇지 않으면 구덩이가 미마스보다 더 클 것이다). 미마스의 후면에는 여러 개의 홈이 파진 줄무늬가 존재하는데, 이것은 운석과의 충돌로 미마스가 거의 파괴된 상태에 이르렀음을 시사하고 있다.

  그 다음 위성인 엔켈라두스의 표면은 거의 순수한 얼음으로 구성되어 있으며 그 중 한쪽 면에는 구덩이가 거의 없다. 구덩이와 줄무늬는 다른 한쪽의 반구에서만 발견된다. 이는 조석력이 화산 활동을 유발하고 이로부터 용암 또는 뜨거운 물질이 아니고 물의 표면으로 흘러나왔기 때문인 것으로 풀이되고 있다.

  타이탄은 토성의 위성 중에서 가장 큰 것으로서 지름은 5,100km나 되어 목성의 위성인 가니메데보다 약간 작은 편이다. 타이탄은 높은 밀도의 대기를 지니고 있는 유일한 위성이다. 대기는 주로 질소(98.4%)와  메탄으로 구성되어 있으며 표면에서의 대기압은 1.5~2bar 정도이다. 표면 온도는 90K 정도 된다. 우리가 보는 타이탄의 표면은 약 200km 상공에 떠 있는 붉은색 구름이다. 2005년에 타이탄에 착륙한 허위헌스 탐사선이 얻은 관측 자료와 영상에서는 액화 메탄으로 된 호수가 뱔견되지 않는다. 그러나 2006년 카시니 궤도 탐사선이 얻은 레이더 자료는 호수가 존재한다는 강력한 단서를 제공하였다. 오래 되지 않은 과거에 액체가 존재한다는 독립적인 증거가 타이탄 표면에 있는 몇몇 지형에서 발견되었는데 아마도 이러한 지형은 흐르는 유체로부터 형성된 것으로 생각된다.