토성에 관해 몰랐던 이야기

토성에 관한 몰랐던 이야기

토성은 태양계에서 여섯 번째 행성이며 태양계에서 목성다음 두 번째로 큰 행성이다. 평균 반지름이 지구의 약 9.5배이며 거대한 가스로 이루어진 행성이다. 밀도는 지구 평균 밀도의 1/8에 불과하고 질량은 95배 이상이나 더 크다. 토성내부는 대부분 금속 수소의 깊은 층, 액체 수소와 액체 헬륨의 중간층, 그리고 마지막으로 가스 상태의 외부층으로 둘러싸인 암석 코어로 구성되어 있을 거라고 추측한다. 토성은 상층 대기의 암모니아 결정으로 인해 옅은 노란색을 띤다. 금속 수소층 내의 전류는 지구보다 약하지만 토성이 지구보다 더 큰 크기로 인해 지구보다 580배의 자기 모멘트를 갖는 토성의 행성 자기장을 발생시키는 것으로 추측하고 있다. 토성의 내부는 대부분 적은 비율의 헬륨과 다른 원소들의 흔적을 가진 수소로 구성되어 있다. 바깥쪽 대기는 수소 분자와 헬륨 분자로 구성되어 있으며, 안쪽 층은 액체 금속 수소와 헬륨을 포함하고 있다. 토성의 자기장 강도는 목성의 약 20분의 1이며 외부 대기수명이 긴 기능이 나타날 수 있지만 일반적으로 단조롭고 대비가 부족하다. 또한 토성의 풍속은 시속 1,800킬로미터에 달할 수도 있다. 적어도 83개의 위성이 토성을 공전하는 것으로 알려져 있으며 그중 53개가 공식적으로 명명되었다. 이것은 고리에 있는 수백 개의 소행성을 포함하지 않는다. 토성에서 가장 큰 위성이며 태양계에서 두 번째로 큰 타이탄은 행성은 수성보다 크며 무거움은 덜하며 태양계에서 대기가 큰 유일한 위성이다.

 

토성의 고리

토성의 고리는 얼음 입자, 먼지, 그리고 바위로 구성된 고리 시스템이며, 가장 유명하다. 토성의 고리는 토성의 적도 위 6,630킬로미터에서 120,700 킬로미터까지 뻗어 있고 두께는 약 20미터에 불과하다. 그리고 일곱 개의 주요 고리가 있는데, 각각 알파벳 문자로 표시되어 있고, 많은 작은 고리들이 있다. 토성은 아마도 그것을 시각적으로 독특하게 만드는 행성 고리 시스템으로 잘 알려져 있다. 토성의 고리는 주로 물과 얼음으로 구성되어 있으며 미량의 톨린 불순물과 약 7%의 비정질 탄소로 덮여 있다. 고리를 구성하는 입자들의 크기는 먼지 조각에서부터 최대 10m까지 그 크기가 다양하다. 다른 가스 행성들도 고리 시스템을 가지고 있지만, 토성의 고리는 가장 크고 가장 잘 보이며 유명하다. 고리의 기원에 대한 두 가지 주요 가설이 있다. 한 가설은 고리가 파괴된 토성의 위성의 잔해라는 것이고 두 번째 가설은 고리들이 토성이 형성된 원래 성운 물질로부터 남아 있다는 것이다. 그리고 고리의 일부 얼음은 엔셀라두스의 간헐천에서 나온다. 고리의 물의 양은 방사형으로 다양하며, 가장 바깥쪽 고리는 얼음물로서 가장 순수하다. 이 풍부함의 차이는 유성 폭격으로 설명될 수 있다. 주 고리 너머로 행성에서 1,200만 킬로미터 떨어진 곳에 피에베 고리가 있다. 이 별은 다른 고리들에 비해 27°의 각도로 기울어져 있으며, 피비처럼 역행하는 방식으로 공전하고 있다. 판도라와 프로메테우스를 포함한 토성의 일부 위성들은 고리를 제한하고 고리가 퍼지는 것을 막기 위해 양치기 위성 역할을 한다. 판과 아틀라스는 토성 고리에 약한 선형 밀도 파동을 일으켜 질량에 대해 더 신뢰할 수 있는 계산을 산출할 수 있다. 토성 고리의 기원에 대해 과학자들 사이에서는 아직도 논쟁의 주제가 된다. 어떤 이론은 고리가 조석력에 의해 파괴된 달에서 형성되었다고 주장하는가 하면 다른 이론은 고리가 토성이 형성된 원래 원시 행성계의 원반 잔해라고 주장을 한다.

 

토성의 자기장 및 내부구조

토성에는 82개의 위성이 있으며, 그중 가장 큰 위성은 타이탄이다. 타이탄은 태양계에서 대기가 풍부한 유일한 위성이며, 지구를 제외하고 안정적인 표면 액체가 발견된 유일한 천체이다. 토성은 목성의 20분의 1 정도의 약한 자기장을 가지고 있다. 자기장은 행성의 자전축에 대해 11도 각도로 기울어져 있으며 행성의 중심에 중심이 있지 않다. 토성의 기울기는 26.73도로 지구와 비슷한 계절을 가지고 있으며 계절은 약 7년 동안 지속되고 각 계절은 약 2년 반 동안 지속된다. 토성의 내부는 대부분의 헬륨과 수소로 구성되어 있으며 질량 대부분은 기체 상태가 아니다. 토성 내부의 밀도, 압력, 온도는 모두 중심핵을 향해 꾸준히 상승하며, 이로 인해 수소가 더 깊은 층에 있는 금속이 되도록 만든다. 표준 행성 모형에 따르면 토성의 내부는 수소와 헬륨으로 둘러싸인 작은 암석 핵과 다양한 휘발성 물질을 가진 목성의 내부와 유사하다. 왜곡을 분석한 결과 토성은 목성보다 훨씬 중심부에 응축되어 있고 중심부 근처에 수소보다 밀도가 훨씬 높은 물질을 포함하고 있는 것으로 나타났다. 토성의 중심부는 질량 기준으로 수소를 약 50% 포함하고 있으며, 목성의 중심부는 수소를 약 67% 포함하고 있다. 이 중심핵은 지구와 구성 성분이 비슷하지만 밀도가 더 높다. 토성의 중력 모멘트를 내부의 물리적 모형과 결합하여 조사함으로써 토성의 중심핵 질량에 제약이 가해질 수 있었다. 2004년에 과학자들은 중심핵의 질량이 지구 질량의 9~22배에 이를 것으로 추정했는데, 이는 지름 약 25,000 km에 해당한다. 그러나 토성 고리의 측정에 따르면 질량은 지구 17개, 반지름은 토성 전체 반지름의 60% 정도이다. 이것은 더 두꺼운 액체 금속 수소층으로 둘러싸여 있고, 이어서 헬륨-포화 분자 수소의 액체 층이 고도가 증가하면서 기체로 점차 전환된다. 가장 바깥쪽 층은 1,000킬로미터에 이르며 가스로 구성되어 있다. 토성의 내부 온도는 11,700 °C에 달하며, 태양으로부터 받는 에너지의 2.5배에 달한다. 목성의 열에너지는 켈빈에 의해 생성된다 헬름홀츠의 느린 중력 압축 메커니즘은 토성의 열 생성을 설명하기에 충분하지 않을 수 있다. 대안적이거나 추가적인 메커니즘은 토성의 내부 깊숙한 곳에 있는 헬륨 방울의 비를 통해 열을 발생시키는 것일 수 있다. 물방울이 밀도가 낮은 수소를 통해 내려올 때, 이 과정은 마찰에 의해 열을 방출하고 토성의 바깥층은 헬륨이 고갈된 상태로 남게 된다. 이 떨어지는 물방울들은 중심핵을 둘러싸고 있는 헬륨 껍질로 축적되었을 것이다. 다이아몬드의 강우량은 토성뿐만 아니라 목성과 얼음 거인 천왕성과 해왕성에서도 발생하는 것으로 추측되었다. 토성의 대기는 대부분 96.3%의 분자 수소와 3.25%의 헬륨 분자로 이루어져 있으며, 소량의 메탄과 암모니아가 존재한다. 보통 적은 비율의 헬륨과 다른 원소들의 흔적을 가진 수소로 구성되어 있다. 외층은 수소 분자로 구성되어 있고, 내층은 액체 금속 수소와 헬륨으로 구성되어 있다. 토성의 핵은 암석, 얼음, 그리고 금속 수소로 구성되어 있다고 추측한다. 헬륨보다 무거운 원소의 금속성의 양은 정확히 알려져 있지 않지만 그 비율은 태양계 형성 초기의 존재비와 일치하는 것으로 추정하고 있다. 이 무거운 원소의 총질량은 지구 질량의 19~31배로 추정되며, 상당 부분이 토성의 중심부에 위치하고 있으며 상층 대기의 온도는 약 -180도인 반면 하층 대기의 온도는 약 -150도이다. 토성의 대기는 또한 많은 구름을 포함하고 있는데, 이 구름의 가장 눈에 띄는 특징은 지구의 북극하늘에 있는 육각형 구름 패턴이다.

 

토성으로 간 탐사선

토성으로 간 탐사선은 파이어니어 11호, 보이저 1호, 2호, 카시니호, 호이겐스 등 여러 우주선이 토성을 방문했다. 카시니 탐사선은 13년 이상 토성을 공전했으며 엔셀라두스에 액체 상태의 물이 존재하고 토성의 북극에서 육각형 구름 패턴이 발견된 것을 포함하여 많은 중요한 발견을 했다. 2027년에 발사될 예정인 NASA의 드래곤플라이 임무는 타이탄의 표면을 탐사하기 위해 회전익 항공기를 보낼 것이다. 2020년대 중반에 발사될 예정인 유로파 클리퍼 임무는 목성의 달 유로파를 탐사하고 거주 가능성의 징후를 찾을 것이다. 현재 구체적으로 토성을 탐사하기 위해 계획된 것은 없다.