토성(Saturn)에 대해 알아보겠습니다.
개요
토성은 태양계에서 두 번째로 큰 행성입니다. 토성은 아주 낮은 밀도를 가진 가스 행성으로, 대기와 구름으로 둘러싸여 있습니다. 토성의 물리적 특성 중 하나로는 북극 지역에 나타나는 육각형 구름이 있다는 것입니다. 토성의 가장 눈에 띄는 특징 중 하나는 아름다운 고리입니다. 토성은 많은 위성을 가지고 있는데, 가장 유명한 위성 중 하나는 타이탄입니다.
관측
토성은 맨눈으로도 보이기 때문에 그 존재는 아주 오래전부터 알려져 왔습니다. 고대 바빌로니아 문명에서는 기원전 2000년경부터 토성을 포함한 태양계의 다섯 행성(수성·금성·화성·목성·토성)이 관측의 대상이 되어, 그 운행이 점토판에 기록되었습니다. 헬레니즘 시대에는 알렉산드리아의 프톨레마이오스가 서기 127년부터 토성을 관측했는데, 그는 이러한 관측 결과를 토대로 토성 궤도와 관련한 여러 과학적 사실을 발견했습니다.
물론 토성의 고리를 보고 싶다면 망원경이 필요합니다. 토성의 고리는 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 확인하기 전까지 그 존재가 알려지지 않았었습니다. 당시에는 망원경이 성능이 그리 좋지 않았기 때문에 갈릴레오는 토성의 고리를 두고 두 위성이 토성 옆에 보이는 것 같다고 했습니다. 하지만 이후 1655년 크리스틴 하위헌스(Christiaan Huygens)가 고성능 망원경으로 토성을 고리를 최초로 확인합니다. 그는 토성의 위성 중 가장 유명한 타이탄도 발견했습니다.
탐사 역사
파이어니어 11호(Pioneer 11)
1979년 파이어니어 11호는 토성의 고리를 최초로 탐사했습니다. E, F, G 고리가 있음을 확인했고, 해상도가 낮아 자세한 내용을 분석하는 데는 실패했지만 토성이나 그 밖에 위성들의 이미지를 전송했습니다. 위성 타이탄의 온도도 측정했습니다.
보이저 1호(Voyager 1)
1980년 11월, 보이저 1호는 토성에 접근해 생성과 고리 및 위성을 찍은 고화질 영상을 최초로 촬영했습니다. 이것으로 다양한 위성들의 표면 특징 등을 알 수 있었습니다. 타이탄도 접근해 표면을 관측하려고 시도했지만 가시광선이 타이탄의 대기를 통과하지 못해 아쉽게도 실패하게 됩니다.
카시니-하위헌스호(Cassini–Huygens)
NASA와 ESA의 공동 탐사선인 카시니(본체)-하위헌스(부체)호는 1997년 발사되어 2004년 6월 토성에 접근했습니다. 7월 토성 궤도에 올라 장기간 탐사를 하면서 레이더를 통해 고해상도 이미지를 보내왔습니다. 카시니호는 큰 호수, 섬, 산, 해안선 등을 발견한 성과를 거두었고, 토성 남극에 지름이 8000km나 되는 육각형의 폭풍이 존재한 다는 것을 밝혀냈습니다. 하위헌스 탐사선은 최초로 타이탄 표면에 상륙해 탄화수소(액체 메탄)로 이루어진 호수를 발견합니다. 하위헌스호는 타이탄의 추위로 1시간 30분밖에 운용하지 못했지만, 카시니호는 몇 차례의 운용 연장 끝에 2017년 9월에 공식적으로 임무를 마치고 토성 대기 속으로 사라졌습니다.
물리적 특성
거대 가스 행성에 속하는 토성의 지름은 지구의 약 9배입니다. 거대한 부피를 자랑하지만, 평균 밀도가 지구의 약 12.5%밖에 되지 않기 때문에 질량은 지구의 95배 정도입니다. 토성 내부에는 철이나 니켈 및 암석으로 이루어진 중심핵이 있으며, 그 주변을 두꺼운 금속 수소가 감싸고 있습니다. 중간층에는 액체 수소와 헬륨이, 그 바깥쪽은 가스가 둘러싸고 있는 형태입니다. 행성 표면을 자세히 들여다보면 암모니아 결정으로 생긴 흰색이나 노란색 줄무늬를 볼 수 있는데, 희미해서 잘 보이지는 않습니다.
고리
토성 하면 떠오르는 것은 바로 고리입니다. 고리는 대부분 얼음 덩어리나 암석으로 이루어져 있습니다. 고리는 토성의 적도 상공 70,000km에서 140,000km까지 약 70,000km가량 넓게 펼쳐져 있지만, 그 두께는 불과 20m 정도에 불과합니다. 워낙 얇아서 지구에서 토성을 관측할 때, 약 15년에 한 번꼴로 토성이 바로 옆을 향하고 있을 때는 고리가 보이지 않습니다. 예전에는 토성의 고리가 45억 년 전에 토성이 형성될 때 함께 만들어졌다고 생각했지만, 현재는 연구 결과마다 차이는 있지만 약 4억~1억 년 전쯤 위성의 충돌에 따른 잔해 또는 토성을 형성했던 성운의 나머지가 남아서 생긴 것으로 여깁니다. 지구에서 망원경으로 고리를 관측할 때는 하나의 고리로 보이지만, 사실 토성의 고리는 안쪽부터 D, C, B, A, F, G, E 고리가 있으며 각 고리 간의 간격도 매우 넓습니다. 고리 사이에 위성이 있을 정도니까요. 고리의 두께는 안쪽으로 들어갈수록 더 얇아집니다.
위성
토성은 태양계에서 가장 많은 위성을 가지고 있습니다. 총 146개의 위성이 있고 그중 63개 위성은 각자의 고유한 이름을 갖고 있습니다. 이 중 생명의 가능성을 내포하고 있어 가장 많은 관심을 받는 타이탄과 엔셀라두스에 대해 알아보겠습니다.
타이탄(Titan)
타이탄은 태양계에서 목성의 가니메데에 이어 두 번째로 큰 위성입니다. 타이탄의 표면 온도는 약 -179℃로 매우 차가운데, 이는 대기 중의 메탄과 유기 화합물로 인한 온실효과로 설명됩니다. 타이탄의 대기는 지구와는 매우 다른 구성을 가지고 있습니다. 주로 질소로 이루어져 있지만, 메탄도 상당한 양으로 존재합니다. 타이탄은 지구의 대기와 비교하면 밀도가 매우 높습니다. 타이탄의 표면에는 액체 메탄과 에탄으로 이루어진 바다와 호수가 존재합니다. 타이탄의 대기와 표면에서 발견되는 유기 화합물은 생명의 가능성을 연구하는 데 큰 관심을 불러일으킵니다. 타이탄의 환경은 지구의 초기 환경과 유사한 면도 있어, 생명의 기반이 될 수 있는 조건을 가진 행성이라는 이론도 제시되고 있습니다
엔셀라두스(Enceladus)
엔셀라두스는 지름이 약 504km로 작은 편에 속합니다. 이 위성은 주로 얼음과 바위로 이루어져 있습니다. 엔셀라두스의 표면은 크레이터와 평원, 그리고 주목할만한 주름 지형을 포함한 다양한 지형으로 이루어져 있습니다. 특히 남극 지역에는 Tiger Stripes라 불리는 줄무늬 모양의 지형이 있습니다. 가장 놀라운 사실 중 하나는 엔셀라두스의 지하에 액체의 해저 바다가 존재한다는 것입니다. 이 바다는 지구의 해양과 유사한 조건에서 존재할 수 있을 만큼 충분한 열을 생성하는 지열 활동으로 유지되고 있는 것으로 추정됩니다. 엔셀라두스의 남극 지역에서는 수질 분사가 관찰되었습니다. 카시니 탐사선은 토성의 중력에 의해 엔셀라두스 위성의 표면에서 물 분사가 발생하고 있음을 확인했습니다. 이 분사로 인해 토성의 링을 형성하는 입자 중에서도 일부가 발견됩니다. 분사된 물의 입자 중에는 얼음과 함께 각종 화학 물질도 발견됩니다. 이러한 화학 물질은 해저 바다에서 화학반응이 일어나며, 이로써 엔셀라두스에서 생명의 가능성을 연구하는 데 중요한 정보를 제공합니다. 앞으로 엔셀라두스에 대한 연구가 계속될 예정입니다.
맺음말
토성의 풍부한 탐사 역사와 흥미로운 사실들을 통해 우주라는 신비한 세계에 한 걸음 더 가까이 다가갈 수 있었습니다. 토성의 환상적인 고리와 생명체의 가능성이 잠재되어있는 위성의 다양한 특징은 계속해서 우리의 관심을 끌 것입니다. 앞으로 많은 연구와 탐사 미션을 통해 더 많은 과학적 사실들이 발견되길 기대합니다.
