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마치 화려한 색동옷을 입고 있는 듯한 토성은 가장 가볍고 가장 많은 위성을 거느린 행성으로 관심을 끈다.

토성

●질량 5.69×${10}^{6}$㎏
●적도지름 12만㎞
●밀도 0.7g/㎤
●공전주기 29.41년
●태양으로부터 평균거리 14억2천5백60만㎞
●자전주기 10시간14분~10시간39분

망원경으로 토성을 관측한 사람치고 그 아름다움에 놀라지 않은 사람은 없을 것이다. 토성을 통해서 우리는 우주의 신비를 확인할 수 있다.

태양에서 여섯번째로 먼 행성인 토성은 본체가 마치 색동옷을 입은듯 여러 색깔의 띠로 둘러져 있음은 물론, 주변에는 아름다운 고리가 감겨 있어, 보는 이로 하여금 그 신비스러움에 감탄을 금할 수 없게 한다.

물에 넣어도 둥둥 뜬다.

그뿐 아니라 토성은 태양계 천체중에서 가장 밀도가 낮아서 물에 넣어도 둥둥 뜰 정도이고 행성들중에서 가장 많은 위성(현재 확인된 것만도 20개)을 거느리고 있어 학자들의 관심이 대단한 생성이다. 토성의 위성 타이탄(Titan)에는 지구와 비슷한 '질소의 대기'가 두껍게 덮여있고 온도가 낮아 45억년전 지구가 갓태어났을 때인 원시 지구의 상태를 찾아 볼 수 있음은 물론 그곳에 생명체가 탄생했을 가능성도 있어 흥미의 대상이 되고 있다.

인류 역사상 가장 먼저 토성의 관측기록을 남긴 사람들은 수마리아인(Sumarians)이다. 그들은 약 5천년 전에 남부 메소포타미아에 살았었는데 토성을 산출(産出)이라는 뜻을 가진 sag-ush라고 불렀다. 그후 바빌로니아인들이 메소포타미아를 통치하게 됐고 그들은 토성을 kaiamanu라 불렀다. 이 말의 뜻은 '느리다'는 뜻인데 토성이 이렇게 불리게 된것은 태양에 가까운 다른 행성에 비해 느리게 움직였기 때문이다.

희랍 시대에 와서는 토성을 크로누스(Cronus)라 불렀다. 크로누스는 지구와 하늘의 아들신 이름. 그는 그의 누이 레아(Rhea)와 결혼해 아이를 다섯 낳았다. 그는 아주 사악한 기질을 가지고 있었는데, 자기 아이들을 경쟁자라고 여기고 그들을 모두 입으로 삼켜버렸다. 그후 여섯번째 아이인 제우스(Zeus)가 탄생했을 때에는 레아가 크로누스를 속여 돌을 대신 삼키게 했다.

후에 제우스는 신들의 왕이 되었고 크로누스는 내쫓기게 되었다. 그는 다른 곳에 왕국을 세우고 그곳을 통치하게 됐다. 이때부터 생각을 바꾸고 사람들에게 농사짓는 법을 가르쳤다. 로마시대에 와서 크로누스는 '농사의 신' 새터누스(Saturnus)의 이름을 따서 새턴(Saturn)으로 불리게 됐다. 그들은 겨울 씨를 뿌릴 때인 매년 12월 17일을 새터날리아(Saturnalia)라 해서 대축제를 열고 향연을 베풀었다.

토성을 과학적으로 관측한 사람을 희랍의 천문학자 프톨레마이우스(Ptolemaius)로서 그는 A.D.140년경 당시 지구 주위를 도는 다섯개 행성의 운동을 분석한 후 토성의 움직임이 가장 느린 것으로 보아 지구에서 가장 먼 거리에 있는 천체라고 추측했다.
 

귀달린 행성

그로부터 1천4백70년 후인 1610년 이탈리아의 천문학자 갈릴레이(Galilei)는 그가 만든 8배의 배율을 가진 망원경으로 토성을 관측한 결과, 토성에 귀 또는 손잡이가 있음을 알아냈다. 그는 이것을 위성이라고 추측했다. 토성의 귀가 고리로 확인된 것은 1659년 네덜란드 천문학자 호이겐스(Huygens)였다. 그는 고리를 확인했을뿐 아니라 토성의 가장 큰 위성인 타이탄을 발견했다.

17세기 토성에서 주목할만한 발견을 한 또다른 사람은 이탈리아 태생의 프랑스 천문학자 카시니(Cassini)다. 그는 이아페투스(Iapetus) 레아(Rhea) 디오네(Dione) 테티스(Tethys)등 네개의 위성을 더 발견하고 후에 그의 이름이 붙은 고리사이의 간극(間隙)을 발견하기도 했다. 그 이후 수세기 동안 몇개의 고리와 위성들이 더 발견됐다. 우주 개발이 시작된 후에는 파이어니어(Pioneer)11호 우주선이 1979년 9월에, 그리고 보이저(Voyager) 1,2호가 각각 80년 11월과 81년 8월에 토성에 접근해 탐사 작업을 벌였다.

목성의 바로 바깥쪽에서 태양 주위궤도를 돌고 있는 토성은 여러면에서 목성과 많이 닮은 행성이다. 그러나 토성은 목성보다 훨씬 화려한 고리를 가지고 있다. 토성은 목성과 같이 거대한 가스의 행성이지만 목성보다는 크기와 질량이 조금 작아서 바로 밑의 동생뻘이다.

토성의 질량은 5.69×${10}^{26}$㎏으로 지구의 95.1배이고, 적도 지름은 12만㎞로 지구의 9.41배이다. 토성은 크기와 질량에서 목성 다음으로 큰 행성이다. 그러나 밀도는 1㎤당 0.7g. 이는 물의 밀도보다 작은 것으로 태양을 포함해서 태양계 모든 천체중에서 가장 가볍다.

태양으로부터의 평균거리는 9.592 천문단위(AU)인 14억2천5백60만㎞이다. 궤도 주기, 즉 토성의 1년은 29.41년이고 궤도가 지구궤도인 황도에 대해서 2.49˚기울어져있다.

토성도 목성과 같이 빠른 차등자전을 하기 때문에 자전주기는 적도에서 10시간 14분이고 극지역에서는 10시간 39분이다. 빠른 자전때문에 토성도 '배가 부른 다원체'의 모습을 하고 있는데 적도 지름이 극지름보다 약 1만2천㎞ 크다. 토성은 태양계 행성중에서 가장 많이 찌그러진 행성이다. 토성의 자전축은 공전축에 26.73˚ 기울어져 있는데 이 값은 지구 자전축의 기울기 23.5˚와 비슷하다. 토성을 망원경으로 보면 색깔이나 띠를 두른 모습이 목성을 많이 닮았다.

그러나 이 둘 사이에는 차이점도 상당히 있다. 대기의 화학성분은 두 행성이 거의 비슷하지만 토성 대기 상층부의 온도가 목성보다 훨씬 낮은 95K(-1백78℃)이므로 대기중의 암모니아는 결빙해 대부분 눈의 형태로 강하했고, 더 복잡한 분자의 형성도 이루어진다. 그러한 예로 지구에서 분광광측을 해보면 토성에서는 메탄(CH₄) 에탄(C₂${H}_{6}$) 암모니아(NH₃) 포스핀(PH₃) 수소분자(H₂)등이 발견됐다. 그러나 암모니아는 앞에서 설명한 이유로 해서 그 양이 목성에서보다 훨씬 적다.

관측에 따르면 토성의 대기층은 목성의 대기층보다 훨씬 두껍다. 이는 토성의 온도가 낮기 때문. 이와같이 대기층이 두껍기 때문에 대기 하층부의 구조가 잘 나타나 보이지 않는다. 그래서 토성의 띠는 뚜렷하지 않고 대기 흐름의 패턴도 선명하게 나타나지 않는다.

계절이 있다

토성 대기의 유동속도는 목성에서보다 훨씬 크다. 예를 들어 적도에서 목성의 바람은 속도가 초속 약 1백m (시속 3백㎞)이나 토성에서 부는 바람은 초속 4,5백m(시속 1천8백㎞까지)로 빠르다. 또한 토성의 띠는 목성과는 달리 극(極)영역까지 나타나고, 북반구에서 띠의 폭이 남반구에서 띠의 폭보다 더 넓은 것이 특징이다. 이는 아마도 토성의 자전축이 기울어져 있어 지구와 같은 계절이 생기기 때문일 것으로 믿어지고 있다.

토성 대기에는 종종 지름이 수천 ㎞에 이르는 백점(白点)이 나타나곤 한다. 1969년 10월에 나타났던 백점은 4백90일 동안 머물러 있었다. 이 백점의 성질에 관해서는 아직 별로 알려진 것이 없었는데 최근에 이것이 다시 나타나서 학계의 관심을 끌고 있다.

토성의 내부구조도 목성과 비슷하다. 구성성분은 수소가 약 74%, 헬륨이 약 24% 그리고 나머지 2% 정도가 무거운 원소다. 토성에는 지름이 약 2만㎞의 암석으로 이루어진 중심핵이 있다. 이 중심핵의 질량은 지구질량의 약 20배로 추산된다. 중심핵의 바로 바깥에는 비교적 엷은 얼음층이 있고 그 외부에는 목성에서와 같이 금속성 수소, 그리고 액체수소 층이 놓여있다.

토성은 태양에서 받은 에너지보다 1.8배나 되는 에너지를 우주 공간으로 방출하는데 이 에너지는 토성이 형성될 때부터 가지고 있던 것으로 생각되고 있다.
 

목성과 마찬가지로 토성도 강한 자기장과 거대한 자기권을 가지고 있다. 자기축의 자전축에 대한 기울기는 1˚ 이내로 거의 평행이다. 자기장은 토성 내부의 액체상의 금속성 수소에서 일어나는 다이나모(dynamo)효과에 의해서 생기는 것이다.
 

액체의 회전

토성에서 우리의 관심을 가장 많이 끄는 것은 고리(ring)다. 이 고리는 토성 궤도면에 27˚ 기울어져 있다. 이 기울기 때문에 토성이 태양 주위 궤도를 도는 동안 지구에서 보이는 고리의 모습은 계속 변한다. 토성의 공전주기 29년 동안 고리는 지구에서 두번 측면이 보이는데 이때 고리는 거의 사라진다. 이로부터 고리의 두께가 아주 얇은 것을 알 수 있다. 고리의 실제 두께는 수백 m에 불과하다. 그러나 고리의 폭은 상당히 넓어서 지구에서 보이는 세개의 고리만도 토성의 중심에서 7만1천㎞에서 14만㎞ 사이에 놓여있다.

고리를 이루고 있는 물질은 크기가 수㎜에서 수m인 얼음 덩어리나 암석이다. 다시 말해서 자갈만한 크기의 물체들이 수없이 토성 주위를 돌고 있는 셈이다. 그러나 고리 물체의 전체 질량은 달 질량의 1백만분의 1에 불과하다. 이 물체들은 각각 자신의 궤도를 가지고 있으며 그 주기는 토성에서의 거리에 따라 늘어난다. 즉 고리는 훌라후프와 같이 하나의 고체로 토성주위를 도는 것이 아니고, 바깥쪽이 천천히 도는 액체의 회전과 같다.

지구에서 보이는 세개의 뚜렷한 고리는 바깥쪽에서 부터 A와 B, 그리고 C고리다. C고리 안쪽에 있는 희미한 고리가 D고리다. 보이저는 이 고리들의 상세한 사진을 보내왔다. A고리는 비교적 고른 모습인 반면, B와 C고리는 단순히 큰 가락지 모양이 아니라 가는 고리들이 마치 레코드 판모양 동심원(同心圓)을 이루고 있다. 즉 폭이 2㎞ 정도인 가는 고리 수천개가 토성을 감고 있는 모습이다. 고리 중에는 원이 아니라 타원의 모습을 한 것도 있다.

A와 B고리 사이에 어둡게 보이는 영역이 있는데 이것을 우리는 '카시니 간극'(Cassini division)이라고 한다. 그러나 지구에서 볼 때 아무것도 없이 어둡기만한 여기에도 적어도 20여개의 작은 고리가 존재한다.

B고리에는 마치 자전거의 바퀴살같은 어두운 무늬가 보인다. 이 고리살(spoke)들은 길이가 약 1만㎞, 폭이 약 1천㎞다. 이 고리살은 고리를 형성하는 물체보다 훨씬 작은 먼지와 같은 입자들로 이루어져 있다고 생각된다. 이 입자들은 전하를 가지고 있고 전기력에 의해서 그곳에 머물러 있는 것이다. 파이어니어 11호가 1979년에 새로운 고리를 발견했다. F고리라 명명된 이 고리는 A고리의 바깥쪽으로 약 3천5백㎞ 떨어진 곳에 위치하고 있다. 이 고리는 모든 고리중에서 가장 가늘어서 폭이 약3백20㎞, 두께가 3,4㎞에 불과하다. 보이저가 찍은 사진에 의하면 이 고리는 몇개의 가는 고리로 나누어지는데, 노끈과 같이 꼬인 모습에 매듭과 같이 불룩한 부분도 있다. 보이저 2호가 근처를 통과하면서 관측한 결과 고리의 물질이 빠르게 움직여서 고리의 모습이 변화하고 있는 것으로 드러났다.

이것은 이 고리 근방을 돌고 있는 위성 프로메테우스(Prometheus) 중력 때문인 것으로 생각되고 있다. F고리 바깥쪽으로는 아주 흐린 고리들인 G와 E고리가 있다. 이들은 진정한 고리라기 보다는 물질이 희박하게 분포돼 희미한 빛을 발하는 것으로 봐야 할 것이다.
 

위성과 고리의 차이

행성과 위성 사이에는 조석력이 작용한다. 지구의 바닷물에 조석 간만이 생기는 것도 달의 조석력 때문이다. 그런데 위성이 행성으로부터 어떤 거리 한계 내에 들어오면 조석력 때문에 그 위성은 부서지고 만다. 이 거리의 한계를 '로시(Roche)한계'라 하는데 토성의 고리들은 이 한계내에 들어 있다. 그래서 일부 학자들은 고리의 생성 원인이 그곳에 있던 조그만 위성이 부서져서 생긴 것이라고 생각하기도 한다. 그러나 대부분의 학자들은 그 보다는 토성이 생성될 때부터 태양 주위를 공전하던 물체들이 조석력때문에 뭉치지 못한 것이라 믿고 있다. 만약 이 물체들이 뭉쳐서 위성이 되었으면 직경이 6백㎞인, 얼음과 암석으로 된 위성이 됐을 것이다.

토성에서 현재까지 확인된 위성수는 20개다. 토성 위성중에서 가장 먼저 발견되고 가장 큰 것이 타이탄(Titan)이다. 타이탄은 짙은 대기로 둘러싸여 있어 표면이 보이지 않는다. 타이탄표면의 대기압은 지구의 약 1.5배다. 전에는 대기가 주로 메탄이라 생각됐으나 보이저 관측으로 대부분(99%)이 지구대기와 같은 질소이고 메탄은 1%도 되지 않는 것으로 발혀졌다. 이들 이외에도 프로판 에틸렌 에탄 아세틸렌 등도 발견됐다.

타이탄 표면의 온도는 90K 이다. 이 온도에서는 질소가 액체로 존재할 것이기 때문에 타이탄에는 질소의 비가 내리고 질소의 바다가 있을 것이다. 생명체의 존재가능성은 희박한 것으로 알려졌다. 타이탄 다음으로 큰 위성들은 미마스 엔셀라더스 테티스 디오네 레아 이아페투스 등이다. 직경은 5백~1천5백30km. 이들의 밀도가 거의 1g／㎤인 점으로 보아 거의 얼음으로 구성됐을 것으로 예상된다.

이아페투스는 아주 밝은 위성인데 반구의 밝기가 아주 달라서 한쪽의 밝기가 다른 쪽의 10분의 1밖에 되지 않는다. 이처럼 밝기가 차이가 나는 것은 밝은 쪽은 얼음으로 덮여 있으나, 어두운 쪽은 아마도 혜성이 충돌하여 탄소 물질이 쌓였기 때문일 것으로 추측되고 있다.
 

다이나모 이론(dynamo theory)

지구자기장이 생성되는 원인을 설명하는 이론. 다이나모(발전기)는 역학적에너지를 전기적에너지로 바꾸는 장치를 총칭하는 표현이다. 즉 지구의 외각에 다이나모가 형성돼 지구의 자전운동(회전운동)과 대기의 흐름 등을 자기장으로 변화시킨다고 설명한다.