토성에 대하여

 

태양으로부터 여섯 번째에 있는 태양계의 행성이다. 토성은 태양계 내의 행성 중 목성에 이어 두 번째로 크며, 지름은 약 12만 km로, 지구의 9.1배이며 부피는 760배에 달한다. 이에 비해 질량은 지구의 95배밖에 안되기 때문에, 토성의 평균 밀도는 0.7g/cm3에 지나지 않는다. 그리고 토성의 표면 중력은 지구와 비슷하다. 또한 토성은 목성, 천왕성, 해왕성과 함께 목성형 행성으로 분류된다.

토성은 63개의 위성을 가지고 있다. 이 위성들 대부분은 얼음 덩어리로 이루어져 있으며 일부는 암석도 군데군데 섞여 있다. 토성의 위성은 1659년에 처음으로 발견되었으며 이 해는 호이겐스에 의해 토성의 고리가 발견된 해이기도 하다. 이 위성은 200년 뒤 로마 신화의 새턴(토성의 신 이름)과 친인척 관계인 타이탄이라고 불렀다.

토성의 위성 중 하나인 타이탄은 크기 5150km, 질량 1.35*10^23으로, 태양계 위성 중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성이다. 타이탄은 표면 중력이 작음에도 불구하고 온도가 낮아 대기를 가지고 있고, 1944년 천문학자 카이퍼는 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했다.

토성의 질량은 지구의 약 95.1배이며 지름은 9배인 12만 km 가량으로서 크기와 질량에서 목성 다음으로 태양계에서 큰 행성이다. 하지만 토성의 부피는 지구의 760배나 돼 토성의 밀도는 태양계 내의 모든 천체뿐만 아니라 물보다도 작다. 토성의 대기는 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 주류를 이루고 약간의 메탄과 암모니아가 첨가되어 있다. 토성의 표면온도는 섭씨 영하 180°C를 기록하고 있다. 토성의 온도가 낮은 이유는 태양과 너무 멀리 떨어져 있기 때문으로 지구가 태양으로부터 받는 열량의 100분의 1밖에 받지 못한다. 이 추위 때문에 토성에서 암모니아는 물론 메탄 등이 결빙해 고체 형태로 존재한다. 이 때문에 토성 상공 1,000km 아래는 수증기와 암모니아 구름이 공존하고 있으며 대기의 유동 속도가 커서 적도에서는 시속 1,800km의 강풍이 사납게 휘몰아치고 있다. 토성은 태양에서 14억 2,672만 km 떨어져 있어 공전하는데에 29.4571년이 걸리지만 자전속도는 매우 빨라서 목성보다 1시간 많은 10시간 33분 38초마다 한 번씩 자전한다. 토성은 태양계 행성 가운데 매우 멀리 있는데도 토성의 고리가 있기 때문에 밝은 빛으로 빛나며 수성보다도 밝은 빛을 낸다.

 

토성은 목성과 모든 면에서 아주 비슷하지만 아름다운 고리로 사람들을 놀라게 한다. 토성에 대한 연구는 1610년 갈릴레이에 의해 본격적으로 시작되었으며 그는 처음에 토성의 고리를 보고 이것을 '토성의 귀 또는 손잡이'라고 부르기도 했다. 그러나 훗날 그가 죽은 뒤 50년 후인 1659년 네덜란드의 천문학자인 호이겐스(Huygens)에 의해 그것이 고리라는 것이 밝혀지고 최근의 보이저가 관측할 때까지는 너무 희미해서 상세하게 알 수는 없었다. 토성의 신비는 태양계 탐사 우주선 보이저 1,2호에 의해 낱낱이 밝혀졌다. 토성에는 모두 60개의 위성이 있는 것으로 2006년 11월까지 확인되었으나, 2019년 10월에 와서 토성의 위성은 82개이며 현재까지 태양계 중 가장 위성이 많은 것으로 밝혀졌고, 앞으로 더 발견될 수도 있을 것이다. 토성의 위성 가운데 타이탄은 발견 역사가 가장 오래됐고 다른 태양계 위성 중에서는 볼 수 없는 얼음이 지표면에 존재한다.

 

토성도 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 대기의 거의 전부를 이루고 있다. 조성 비율은 수소 93.2%에 헬륨 6.7%이다. 이외에도 암모니아, 아세틸렌, 에테인, 인화수소, 메테인 성분도 적은 분량이지만 검출된다. 토성의 내부는 중심 부분만 고체로 이루어져 있고, 나머지는 압축된 헬륨과 수소로 이루어진 것으로 추측된다. 토성은 태양과 약 14억 km 떨어져 대기층의 평균 온도는 목성보다 낮은 -145°C 정도이다. 토성 표면에도 목성과 비슷한 가로줄 무늬와 반점이 있다. 이것은 자전주기가 빨라서 대기의 격렬한 흐름과 소용돌이 때문에 나타나는 것이다.

2007년 3월 전파방출 자전은 행성의 자전 속도를 따르지 않음이 밝혀졌다. 측정된 자전 주기 값이 다양한 원인으로 토성의 위성 엔셀라두스의 간헐천 활동을 들고 있다. 간헐천 활동으로 토성 궤도상에 방출된 수증기는 대전된 뒤 토성의 자기장을 약화시키며, 자기장 자전 속도를 행성 자체 자전 속도보다 조금 늦춘다. 이 발표 당시 기준으로, 토성의 중심핵 자전 속도를 구할 수 있는 방법은 달리 없는 것으로 언급되었다.

2007년 10시간 32분 35초, 토성의 정확한 자전 주기가 발표되었는데, 이 값은 보이저 호, 파이오니어 탐사선, 카시니 호가 수집한 자료들을 취합 분석하여 낸 수치이다.

다른 유체 천체와 마찬가지로 토성 표면에 보이는 구조들은 위도에 따라 다른 속도로 행성을 일주한다. 속도 차이에 따라 계(系:) I, II로 나눌 수 있다. 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 해당된다. 계 I 지역을 뺀 나머지 부위는 같은 속도로 자전하며 이를 계 II라고 부른다. 계 II는 공전 주기 10시간 39분 24초로 지구 시간 1일에 810.76도 회전한다. 보이저 호 플라이바이 때 행성으로부터 방출된 전파에 기반하여, 새로운 지역 계 III를 정의할 수 있다. 이 지역의 공전 주기는 10시간 39분 22.4초로 지구 시간 1일에 810.8도 회전한다. 계 II와 III의 물리적 수치는 매우 비슷하다.

토성의 고리는 다른 태양계 행성들의 고리에 비해 눈에 잘 띄어 유명하다. 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 이용하여 토성의 고리를 처음으로 관측하였다. 하지만 당시에는 그것이 고리라는 것을 확실하게 알아내지는 못하였고, 갈릴레이는 토성에 귀가 있다고 표현하였다.

1609년 갈릴레이는 망원경으로 토성을 관찰하다가 토성의 양쪽에 귀 모양의 괴상한 물체가 붙어 있다가 밤이 깊어지면 차츰 사라지는 것을 발견했다. 갈릴레이는 이 때부터 약 3년 동안 토성의 두 개의 귀가 보이지 않을 때까지 관측을 계속했다. 그로부터 50년 뒤 네덜란드의 천문학자 호이겐스가 토성의 '양쪽의 귀'의 실체를 정확히 밝혀냈다. 그것은, 귀가 아니라 고리라는 것인데 호이겐스는 이 엄청난 정보를 혼자만 알고 있을 수 없어 3년 뒤에 발표하고야 말았다. "토성의 양쪽 귀는 엷은 고리이다. 이 고리는 토성에 붙어 있지 않고 떨어져 있다." 호이겐스가 이러한 내용을 설명한 자리에 있었던 사람들은 모두 놀라고 말았다. 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 고리 사이의 검은 선으로 보이는 거대한 간격을 찾아냈으며, 이 간격이 바로 '카시니간극(카시니 틈, Cassini division)'이다.