토성 고리의 비밀

토성의 고리들은 토성의 가장 아름답고 즉각 알아챌 수 있는 특징으로, 행성 주위의 분리된 궤도들을 도는 무수히 많은 미세한 입자들로 이뤄져 있습니다. 그것들은 멀리서 보면 고요해 보이지만, 최근에 발견된 바에 따르면 이 고리들이 지속적인 혼란 속에서 진화하는 체계라는 것을 보여줍니다.

 

1610년에 이미 이탈리아의 천문학자 갈릴레오 갈릴레이는 토성에 뭔가 잘못된 것이 있음을 눈치챘습니다. 그의 원시적이고 배율이 낮은 망원경을 통해서조차 토성의 모양이 구형이 아니라는 것을 알 수 있었고, 이 찌그러짐은 그 행성 옆에 있는 두 개의 거대한 위성들 때문일지도 모른다고 생각했습니다. 1655년 네덜란드의 천문학자 크리스티안 호이겐스는 토성의 신비로운 모양의 원인은 행성 주위를 둘러싸고 있는 얇고 편평한 고리라고 최초로 정확하게 설명했습니다.

 

고리의 구조

17세기 후반에 개선된 망원경을 통해서 천문학자들은 고리들 사이의 틈을 확인했는데, 이 때문에 그 구조에 대한 의문이 더 커졌습니다. 뉴턴이 발견한 중력과 운동 법칙에 따르면, 만약 그러한 넓고 편평한 구조가 고체라면 이렇게 오랫동안 궤도 안에서 살아 남을 수 없습니다. 중력 떄문에 안쪽 모서리가 바깥쪽 모서리보다 더 빨리 운동할 것이고 그 결과 고리가 찢어질 것이기 때문입니다. 

 

1787년 프랑스의 수학자이자 천문학자인 피에르-시몽 라플라스는 그 고리들이 수많은 고체의 작은 고리들로 이뤄져 있을 수 있다고 주장했지만, 1856년 스코틀랜드의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰이 그러한 얇은 구조들도 오랫동안 지속되지 못한다는 것을 보여줬습니다. 

 

대신 그는 고리들이 엄청난 수의 별개 입자들로 구성되어 있고, 각각은 행성 주위에서 자신만의 편평한 원형 궤도를 가진다고 주장했습니다. 입자들 사이의 충돌은 자연스럽게 이 조각들이 질서정연한 궤도에 위치할 수 있도록 만들어 줬을 것이고, 토성의 위성들의 중력으로 고리들 사이에 틈이 생겼을 수 있습니다.

 

맥스웰의 모형은 옳다는 것이 밝혀졌지만, 오늘날 우리는 거대 망원경과 우주 탐사선의 활약 덕분에 토성 고리가 맥스웰의 상상보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 알아냈습니다. 고리에서 가장 밝은 지역은 토성으로부터 92,000km에서 137,000km 떨어진 곳 사이에 있으며, 바깥쪽의 A고리와 안쪽의 B고리로 나눠지는데, 117,600km와 122,000km 사이에 위치하는 상대적으로 텅 빈 카시니 간극으로 분리돼 있습니다. 엄청나게 넓은 구조임에도 고리들은 놀라울 정도로 얇은데 평균 두께는 단지 10m에 불과합니다.

 

B고리 안쪽으로는 얇은 C고리와 거의 토성의 구름 상층부까지 뻗어 있는 매우 희미한 D고리가 있습니다. A고리의 바깥쪽에는 1979년 파이어니어 11호에 의해 발견된 좁은 F고리와, 얼음 위성은 미마스와 레아의 궤도 사이까지 뻗어 있으며 엔셀라두스의 간헐천으로부터 나온 얼음에 의해 형성된 넓고 분산된 E고리가 있습니다.

 

G고리는 E고리와 F고리의 중간 지점에 있으며, 카시니 우주 탐사선은 여러 개의 다른 고리들과 다른 작은 위성들의 궤도에 연결된 고리 조각들을 발견했습니다. 2009년 스피처 우주망원경을 통해서 토성으로부터 토성 반경의 200배 이상의 거리까지 뻗어 있으며 다른 나머지 고리들에 대해서 27도 기울어져 있는 먼지 물질들로 이뤄진 원반의 존재가 밝혀졌습니다. 지구에서 봤을 때 이 고리는 보름달 두 개 정도 크기의 하늘을 덮고 있지만, 광학 망원경으로는 탐지되지 않습니다. 이것은 토성의 혜성을 닮은 위성인 포이베의 표면에 작은 소운석이 충돌하면서 분출된 먼지로 이뤄진 것으로 보입니다.

 

우주 탐사선이 발견한 것

파이어니어 10호와 11호, 보이저 1호와 2호 같은 초기의 우주 탐사선이 무수히 많은 작은 고리들의 복잡한 구조를 확인했지만, 2004년 카시니호가 토성 주위의 궤도에 도착한 이후에야 비로소 고리들의 완전한 구조가 밝혀졌습니다. 작은 고리 입자들 사이의 중력상호작용, 고리들 사이를 공전하는 작은 위성들, 그리고 행성의 더 커다란 위성들은 변화무쌍한 동적 체계를 만들어 냅니다.

 

밝고 어두운 방사형 스포크가 때때로 고리 평면의 넓은 범위를 가로질러 나타나는데, 물결 모양의 파동은 고리들의 바깥쪽 모서리를 방사형과 수직 방향으로 뒤틀어 버립니다. 그리고 위성들은 고리들로부터 물질들을 자신들 뒤로 끌어당겨 고리들 안에 어두운 도랑을 만듭니다.

 

2010년 코넬 대학교의 필 니콜슨이 이끄는 연구팀은 C고리 내부에 얼음 쓰나미 형태로 나타나는 고리의 복잡한 구조를 확인했습니다. 그들은 고리를 통과하는 별빛의 변화를 연구함으로써 회전하는 얼음 벽을 확인했는데, 이는 대략 높이가 1.6km이며 고리 물질들 사이의 0.5km의 좁은 틈의 양쪽에 존재합니다. 

 

이 구조는 그 틈으로부터 제거된 얼음 조각들이 쌓여서 만들어진 것으로 보이는데, 쓰나미가 해수면에 떨어지는 모습과 유사하며, 16일마다 C고리에 잔물결을 일으킵니다. 이는 그 구조물이 토성의 멀리 떨어진 거대한 위성인 타이탄의 중력에 영향을 받는다는 것을 보여줍니다.

 

카시니호는 길이가 수십 km에 이르는 조밀하게 쌓인 입자들의 구름인 프로펠러도 발견했습니다. 이것들 각각은 고리 궤도들의 일반적인 방향에 대해서 비스듬히 기울어져 있고 그 길이 중간에 틈을 갖고 있으며, 주위를 교란해 프로펠러를 만들어 내는 보이지 않는 작은 위성들의 위치를 나타내는 것으로 보입니다.

 

작은 프로펠러들은 2006년 A고리의 중간에서 처음 확인됐고, 그 이후 이 지역에서 대략 100m 정도의 지름을 갖는 150개 이상의 작은 위성들의 위치를 확인하는 데 이용됐습니다. 2010년에는 코넬 대학교의 매튜 티스카레노 연구팀이 새로운 부류의 거대한 프로펠러들을 확인했습니다.

 

이것들은 길이가 수백 km에 이르고 A고리의 바깥쪽으로부터 더 멀리 위치하는데, 더 작은 규모의 위성들과 관련 있는 것으로 보입니다. 카시니호는 프로펠러들과 주위 입자들의 상호작용을 4년 이상 추적했습니다. 천문학자들은 원반 안에 들어 있는 작은 위성들의 움직임이 태양계의 형성 중에 원시 행성의 원반 내부를 공전했던 미행성체들의 움직임을 모방한 것이라고 믿습니다.

 

카시니호의 많은 성과에도 불구하고, 토성의 고리들은 여전히 많은 비밀을 갖고 있습니다. 우리는 아직 개별 입자들을 자세히 보지 못했으며, 비록 그것들이 99.9%의 순수한 얼음으로 이뤄져 있다는 것이 알려졌지만, 각 입자들의 개별적인 성질을 결정하고 고리를 가로질로 장관을 연출하는 불순물에 대해서는 거의 알려진 것이 없습니다.