[ 외행성 ] - 토성

안녕하세요. 지식백과사전입니다. 오늘은 외행성인 ' 토성 ' 에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

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[1] 기본 지식

한자: 土星, 鎭(진) 또는 塡(전) 영어: Saturn 에스페란토: Saturno
기호	♄
구분	외행성 목성형 행성 (거대 가스 행성)
지름	120,536km(적도) 108,728km(극)
면적	4.27×1010 km2
질량	5.6846 × 1026 kg
태양기준거리	9.554909 AU
이심률	0.05555
공전주기	29.4571년(10,759.22일)
자전주기	10시간 33분 38초
대기압	50 ~ 200kPa (대기 상층부 기준)
대기조성	수소 96% 헬륨 3% 메테인 0.4% 암모니아 0.01% 중수소화수소 0.01% 에테인 0.0007%
평균온도	1 bar 기준 134K (섭씨-139도) 0.1 bar 기준 84K (섭씨-189도)
겉보기 등급	+1.47 ~ −0.24
중력	1.065G
자전축 기울기	26.73도
위성	82개

 

 

 

 

[2] 개요

태양계에서 2번째로 거대하며 여섯 번째에 위치한 행성이다. 지구와 비교하면 대략 95배 정도 무겁다. 부피는 지구의 763배. 태양계에서 가장 큰 고리를 가졌으며 편평도가 가장 큰 행성이기도 하다. 

그런데 겉보기와 달리 힘은 별로 못 쓰는 편인데, 중력이 1.065G밖에 안 된다. 크기(763배)와 질량(95배)을 감안하면 오히려 지구의 중력이 더 강하다고 할 수 있다.  어쨌든 지구에서 체중이 100kg 나가는 사람이 토성에 가면 106.5kg가 된다.

물에도 뜰 정도의 낮은 밀도를 가지고 있다는 비유가 널리 퍼져있는데, 이 말을 오해해서 "토성은 물에 띄울 수 있다." 라는 잘못된 지식이 전 세계에 퍼져있다. 이 말은 어디까지나 밀도만 따지면 그렇다는 것이지, 토성은 물에 띄울 수 없는 성질들로 구성되어있다. 토성을 잠기게 할 정도로 많은 양의 물은 액체 상태를 유지할 수 없고, 토성의 핵은 암석질이기 때문에 핵은 가라앉고 대기는 흩어진다. 따라서 엄밀히 말하자면 토성은 물에 뜰 수 없다.

토성의 위성 중 하나인 타이탄은 수성보다도 크며 메테인 구름에서 액체 메테인 비가 내리는, 대기를 가지고 있는 위성이다. 기압도 무려 지구의 1.5배에 달한다. 이러한 사실 때문에 타이탄은 많은 SF의 소재가 되기도 했다. 또한 토성에서 가장 큰 위성으로, 타이탄의 질량은 다른 모든 토성의 위성들을 합친 것의 약 25배.

토성에도 목성처럼 줄무늬가 존재하나 상당히 희미해서 눈에 잘 띄지 않는다. 이는 전체적으로 각 구름 층이 목성에 비해 두껍기 때문이라고 한다.

현재 카시니-하위헌스호가 탐사 했었으며 여지껏 알 수 없었던 많은 것들을 알게 됐다. 다만 이를 대체할 탐사선 계획은 2019년 현재 없는 실정이다.

그동안 정보가 없었던 토성의 자전주기가 밝혀졌다. 2019년 1월 카시니 호가 관측한 데이터를 분석한 결과, 토성의 자전주기는 10시간 33분 38초.

 

 

 

[3] 토성의 자기권

카시니-하위헌스 호가 탐사하여 측정한 그림이다. 

2018년 9월 4일 NASA의 발표가 있었다. 토성은, 태양계 최대 행성인 목성에 꿀리지 않는 강력한 자기권을 보유한 것으로 확인되었다. 목성보다 약간 범위가 작긴 한데 에너지는 목성 : 토성 질량인 4:1의 격차보다 훨씬 적은 8:5. 실제로 질량당 자기 에너지는 토성이 더 세다고 한다. 지구 자기권과는 비교도 안 된다고...

 

 

 

[4] 고리
크고 아름다운 고리 덕분에 누구나 잘 안다. 사실은 목성, 천왕성, 해왕성도 고리를 가지고 있지만 눈에 보이지 않을 정도로 가늘고 작기 때문에 모두가 토성 하면 고리를, 고리 하면 토성을 연상한다. 실제로 토성의 고리는 저가 망원경으로도 얼마든지 볼 수 있다.

토성의 고리는 주로 얼음덩어리나 돌덩이들이 토성의 중력에 붙잡혀 모여들어 제각각 토성 주위를 공전하는 것으로 추정되며, 보이는 것처럼 매끈한 판이 아니라 조각이 꽤 많이 난 LP판에 가깝다. 이 고리는 토성의 공전궤도면과 일치하지 않고, 두께가 수십~수백 미터 정도로 매우 얇기 때문에 토성이 궤도의 어디쯤에 있느냐에 따라 보이는 정도가 달라진다. 때문에 최초로 토성을 관측한 갈릴레오 갈릴레이는 아쉽게도 고리를 알아차리지 못하고 귀라고 생각했다.

이 고리에 대해 종전에는 얼마 가지 않아 구조가 뭉개질 일시적인 현상에 불과하다고 예상해왔지만, 최근 카시니-하위헌스(카시니-호이겐스) 호의 관측에 따르면 고리의 물질들은 활발하게 생성, 소멸되고 있었으며, 고리는 앞으로도 수십억 년 동안 지금과 똑같은 형상을 유지할 것이라는 분석이 나왔다. 또한 특정한 위성들이 소위 '양치기' 역할을 하여 중력으로 각 고리들을 끌어당겨 유지하고 엔셀라두스처럼 물질을 분사하는 경우에는 고리를 유지시키는 물질을 공급하는 역할 또한 도맡는다. 위의 영상에서처럼 고리가 정적으로 안정된 것이 아니라 끊임없이 움직이며 율동하고 있으며 고리를 붙잡아두는 역할을 하는 위성들이 지나갈 때마다 고리에 파문이 일 듯 출렁거리는 현상도 확인된다.

고리의 생성 원인은 로슈 한계 안으로 접근한 위성이나 혜성 등으로 생각된다. 로슈 한계란 위성이나 소행성 등이 행성의 조석력을 버티지 못하고 부서지는, 행성이 위성을 가질 수 있는 최소한의 거리를 말하는데, 모행성의(=토성) 중력과 물체의 크기 및 물체 자체의 중력과 관련되어 있다. 토성의 고리는 모두 이 안에 위치하므로 신빙성이 있다.

태양계 역사에서 토성이 이렇게 큰 고리를 가지게 된 것이 언제부터인지는 논란의 대상이다. 이론적인 예측으로는 태양계의 형성 시기로 보고 있지만, 최근의 연구에서는 의외로 그리 오래지 않았다고 보기도 하는데 이는 태양계 초기에 형성됐다면 지금쯤 얼음 입자가 꽤 더러워졌어야 하는데 그러기엔 고리의 반사율이 높기 때문이라는 것이다. 추정으론 대략 9천만~1억년 전에 지름 400km대 얼음 위성이 로슈 한계로 돌입해 부서지면서 고리가 된 것으로 여겨진다. 그러나 충분히 더럽지 않는 것은 엔셀라두스의 물 입자가 이를 청소하는 것이 아닌가 하는 의심도 있으며, 여전히 그 형성 시기는 확실하게 결론이 나지 않은 상태이다.

참고로 우주에서 인류가 발견한 가장 거대한 고리는 갈색 왜성으로 추정되는 J1407b의 것으로, 토성의 고리보다 640배 가량 더 크다.

고리 사이에도 넓다보니 다프니스 같은 위성들도 존재한다.

 

 

 

[5] 위성

2014년 4월기준으로 위성 '엔셀라두스'에서 바다가 발견되면서 단숨에 태양계 내에서 생명체가 존재할 가능성이 가장 높은 곳이 되었다.

위성의 개수로 목성과 경쟁할 수 있는 행성일 정도로 많은 위성을 가지고 있다고 알고 있었으나 2019년 10월에 20개의 위성이 무더기로 발견되면서 목성(79개)를 뛰어넘어 태양계 최대 위성보유 행성이 되었다. 목성이 60+a (69개)라면 토성은 공인 60개 + 비공인 3개다. 1980년 보이저 1호가 이전 기존에 발견된 위성은 10개, 보이저가 발견한 위성이 7개, 가장 가까운 위성인 야누스가 1990년, 그 외 위성 관측 능력이 급성장한 2000년 이래 현재까지 발견된 게 42개다. 사실 엄밀히 말하면 토성의 고리를 구성하고 있는 각종 암석 등 수많은 물질이 전부 다 토성의 위성이라고 할 수 있다.

위의 타이탄도 그렇듯이 토성의 위성들은 제각각 재밌는 특징을 가지고 있다. 이름들은 대개 티탄족들의 이름을 붙여놔서, 판, 아틀라스, 프로메테우스, 판도라, 에피메테우스, 야누스 같은 소 위성도 있다. 이런 이름은 윌리엄 허셜의 아들 존 허셜이 1847년 쓴 책 "희망봉에서 이루어진 천체관측 결과"에 수록된 것이 최초다.

궤도에서 안쪽으로 여덟째(혹은 아홉째)이자, 7번째로 큰 미마스에는 크기가 미마스 지름의 1/3에 이를 정도로 커다란 허셸(Herschel) 크레이터가 있는데 그 모양 때문에 데스스타라는 별명이 붙어 있다. 지름 397km.

12번째 위성이자 토성에서 6번째로 큰 엔켈라두스는 지름 500km로 크기 자체만 보면 별 주목은 못 받지만, 이 위성은 태양광 반사율이 100%에 가까울 정도로 밝게 빛난다. 카시니 호의 탐사결과 이 위성의 남극의 얼음화산에서 물 등이 뿜어져 나오는 것을 발견했다. 이는 별 자체가 지질학적으로 살아 있다는 증거가 되며 표면 아래에 물로 이루어진 바다가 있을 거라는 추측이 있다. 여하튼 이로 인해 유로파, 타이탄과 함께 가장 주목받는 위성.

 

 

 

[6] 대백반 

2010년 11월 5일 ~ 2011년 8월 12일까지의 변화. 북반구의 거대한 하얀색 줄무늬가 바로 대백반이다.

토성도 목성처럼 내부운동이 활발하다. 그 예로 목성엔 대적반이 있다면 토성엔 대백반이 있는데 지름은 수천km, 최대 풍속은 시속 1,700~1,800km로 막강한 위력을 보여준다. 이는 목성 대적반의 80~100m/s보다도 5~6배 빠른 것이다. 여하튼 내부의 열로 인해 대기 대순환의 하나로 대폭풍이 발생하기에 토성은 생김새와 달리 내부는 지옥일 것이다.

굉장히 재미있는 폭풍인데, 1876년 아사프 홀(Asaph Hall)에 의해 처음 관측된 이후 28.5년을 주기로 항상 관측된다는 것이다. 참고로 이 주기는 토성의 북반구가 태양을 바라보는 주기와 일치한다.

처음엔 작은 점에서 시작하나, 규모가 급격하게 커지는 게 특징이다. 또한 크기도 매번 달라서 1876년에 관측된 대백반은 60mm 망원경으로 보일 정도로 선명했고 1990년에 관측된 대백반은 토성 북반구 전체를 감쌀 정도로 거대했다.

 

 

 

[7] 용의 폭풍

용의 폭풍(Dragon Storm) 이라는 것도 있는데, 대기 하층부에서 발생하며 대백반과는 달리 오랫동안 지속된다. 강력한 전파가 방출되고 갑자기 밝게 달아오른 뒤 잠잠해지는 현상이 관측된다. 2004년에는 이 폭풍이 3개의 소형 폭풍들을 근처에 형성하기도 했는데, 곧 다른 거대 폭풍에 흡수되었다고 한다. 즉 이 폭풍이 대기 하층부의 에너지를 상층부로 전달하는 매개체일 수도 있다는 의미. NASA에서는 이 현상을 먹이사슬로 비유했다.

 

 

 

지금까지 외행성인 ' 토성 ' 에대하여 알아보았습니다. 긴글 읽어주신 여러분께 감사드립니다.

저는 다음에 또 뵙겠습니다!