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토론토시에 있는 캐나다 이론천체물리연구소의 루크 돈스씨는 토성주위의 테를 세밀히 관찰하여 왔는데 올해 초 발표된 그의 연구결과는 놀랄만한 것이다.

토성을 둘러싸고 있는 둥근 반지모양의 동심테는 태양계에서 가장 아름다운 물체다. 다른 외행성들도 테를 가지고 있지만 목성이나 천왕성, 해왕성의 테는 얇고 어두우며 그 생김새가 과히 중요하게 보이지 않는다. 그러나 토성의 테는 크고 밝으며 화려하다.

왜 그럴까?

돈스씨는 토성의 테가 아름다움의 절정에 이르른 때에 우리가 살고 있을 뿐이며 이 테는 조금씩 조금씩 사라지고 있다고 믿는다.

토성의 테를 사라지도록 유도하는데에는 두가지 현상이 존재한다. 우선 토성의 위성들은 테를 영구적으로 끌어당기고 있고 그 테를 형성하고 있는 무수한 입자로부터 궤도상의 에너지를 빼앗는다. 그 결과 입자들은 서서히 나사방향으로 토성을 향해 움직이면서 궁극적으로는 사라져버린다는 것이다. 돈스씨는 토성의 테가 사라지려면 약 1억년이 소요될 것이라고 예측한다.

두번째 현상은 테를 구성하는 입자들과 혜성들의 먼지 알갱이들과의 지속적인 충돌이다. 혜성의 먼지들은 테 입자들을 분쇄시키며 점점 작게 만들고 따라서 보유한 에너지가 급격히 사라지도록 하고 있다. 혜성의 먼지가 가져오는 효과 역시 약 1억년 동안이면 테를 없어지도록 한다.

나아가서 혜성의 먼지들은 매우 검어서 테 물질속에 조금만 섞여도 어둡게 나타나도록 만든다. 오늘날 토성의 테 중 일부분은 밝고 얼음으로 구성되어 있음이 명백한데 이는 이 테가 아직은 혜성의 먼지에 의해 더럽혀지기 시작한지 오래지 않았음을 의미한다.

똑같은 과정이 목성과 천왕성과 해왕성까지도 적용되겠지만 이 경우 테의 입자들은 위성에서 폭발한 물질에 의해 교체되었을는지도 모른다. 하지만 토성의 경우 교체될 수 없는 것은 그 테가 너무 크기 때문이다.

토성의 테는 어디서부터 왔을까? 돈스씨는 큰 혜성, 혹은 여러개의 혜성들이 토성을 너무 가까이 스치며 지나가다가 찢겨졌던 것이 아닌가 생각한다. 혜성들은 얼음덩어리이므로 그 테들도 얼음조각으로 구성되어진 것이다.

물론 다른 의문들도 제기될 수 있다. 왜 혜성들이 훨씬 큰 목성이나 다른 행성들도 아닌 바로 토성에 의해 찢겨졌는가 말이다. 뿐만 아니라 찢겨진 혜성의 수도 한 개 정도일 수가 없다. 돈스씨는 10~1백개의 혜성들이었으리라 추측한다.

언젠가 우주탐사기가 토성으로 보내질 것이다. 이 탐사기는 토성의 위성들을 관찰할 수 있는 지점에서 위성들이 테가 갖고 있던 에너지를 빼앗음으로 인해 점점 토성으로부터 멀어지고 있는가를 측정할 것이다. 다시 말해 테가 토성을 향해 움직임에 따라 위성들이 토성으로부터 점차 떠나는 것이다.

그렇게만 측정된다면 의문들은 풀릴 것이다.

또한 토성은 많은 수의 위성들을 거느리고 있으며 이중 어떤 위성들은 매우 특이한 것으로 밝혀졌다.

제트발사연구소의 찰스 요더씨는 토성의 가장 안쪽에 위치한 위성들인 야누스와 에피메테우스를 연구해 왔다. 이 위성들은 토성을 둘러싼 테의 바로 안쪽 부분에 있으며 지구에서 테의 모서리를 볼 수 있었던 지난 1966년까지는 발견되지 않았다.

야누스와 에피메테우스는 작은 위성들로서 거의 똑같은 궤도를 가지고 있다는 사실이 알려지게 되었다. 4년마다 그 별들은 매우 가깝게 근접한 후 서로 궤도를 교환한다. 하나가 토성에 좀 더 가까워지면 다른 하나는 좀 더 멀어진다. 이들의 가장 최근의 궤도교환은 지난 1990년 1월에 있었다.

요더씨는 이 위성들이 어떻게 궤도 교체를 하는지를 관찰한 뒤 이 별들의 밀도는 1cc당 0.7그램 이하라고 결론지었다. 이 밀도는 타 위성들의 밀도보다 훨씬 낮은 것이며 청결한 얼음보다도 낮은 것이다.

결과적으로 이 위성들은 다름아닌 얼음조각들의 뭉치로서 이 구조체의 약 30퍼센트는 빈 공간인 셈이다. 이 위성들이 실제는 토성의 테로부터 떨어져 나온 얼음조각들의 집합체일 수 있을까?

이는 도무지 믿기 힘든 사실만은 아니다. 야누스의 크기는 가로 세로가 2백20㎞와 1백66㎞이고 에피메테우스는 1백40㎞와 1백㎞이다. 이 두 위성들과 토성의 테를 스치는 세개의 다른 위성들인 아틀라스와 프로메테우스, 판도라는 토성의 테로부터 나온 조각들의 응고물일 가능성이 높다. 이들의 크기는 그런 판단을 하기에 꼭 알맞도록 작은 것이다.

이 작은 위성들이 토성의 테가 언젠가 사라지도록 만드는데 기여하고 있을는지도 모른다.

물론 1억년은 인간의 척도로선 매우 기나긴 세월이고 우리의 시야로부터 그 아름다운 테가 사라질 것을 걱정할 필요는 없을 것이다. 그러나, 그렇다하더라도, 그토록 멋있는 것이 영구적이지 못하다는 사실은 우리를 슬프게 한다.

Saturn's Rings Will Not Last Forever

Luke Dones of the Canadian Institute for Theoretical Astrophysics in Toronto has been closely examining Saturn's rings, and earlier this year his results proved to be astonishing.

Saturn's rings are the most beautiful objects in the solar system. While the other outer planets have rings, those that Jupiter, Uranus and Neptune possess are thin, dark and unimportant in appearance. Saturn's rings are large, bright and glorious.

Why is that?
Dones believes we just happen to live in a time when Saturn's rings are at a peak of beauty and that they are, little by little, vanishing.

There are apparently two phenomena leading to rings' disappearance. In the first place, the satellites of Saturn are forever tugging at the rings and stealing orbital energy from the myriads of particles that make up the rings. As a result, the particles are slowly spiraling inward toward Saturn and eventually will disappear. Dones estimates that the disappearance will take about 100 million years.

The second phenomenon is the constant collison of the ring particles with comet dust grains. The comet dust breaks up the ring particles, making them constantly smaller, so their energy then more rapidly disappears. There is an estimate that the effect of the comet dust would bring about the disappearance of the rings, similarly, in 100 million years.

Furthermore, the comet dust is absolutely black, so that if even a little of it is added to the ring material, the rings of saturn will grow dim. Today parts of the rings are bright and are clearly made up of ice, and this would indicate that the rings have not yet been exposed to comet dust for very long.

The some processes might affect the thin rings of Jupiter, Uranus and Neptune, but in those cases, the particles might be replaced by material blasted off the satellites of those planets. Saturn's rings, on the other hand, cannot be replaced since they are so large.

Where did the rings of Saturn come from? Dones suspects that a large comet, or several of them, must have skimmed by Saturn close enough to be ripped apart. Comets are made up of icy materials, so that the rings formed would be made up of ice.

Of course, there are other questions. Why should comets be torn apart by Saturn, and not by the other outer planets, especially the much larger Jupiter? Furthermore, it can't be a single comet that would have broken up. Dones estimates there would have been between 10 and 100 comets.
Eventually, a probe will be sent out to Saturn. It will be in a position to study Saturn's satellites and see if they are slowly moving outward because they are stealing the ring's energy. In other words, they move outward as the rings move inward toward Saturn. That would tend to settle matters.
Saturn also has a large number of satellites, and some of them have turned out to be unusual.

Charles Yoder of the Jet Propulsion Laboratory has studying Saturn's innermost satellites, Janus and Epimetheus. These lie the edge of Saturn's rings and were not discovered till just 1966, when the rings were seen edge on from Earth.

As it turns out, Janus and Epimetheus, which are small satellites, have almost identical orbits. Every four years they pass very close to each other and swap orbits. One ends up being a little closer to saturn, the other a little farther. The most recent exchange took place in January, 1990.

Yoder studied the manner in which the satellites switched orbits and decided that the satellites must have densities of less than 0.7 grams per cubic centimeter. This is considerably less than the density of the other satellites and is less than the density of pure ice.

Apparently, these satellites are merely piles of icy debris, with some 30 percent of their structure consisting of empty space. Is it possible that these satellites are actually conglomerations of ice particles from Saturn's rings?

That is not so unbelievable. Janus is 220 by 160 kilometers in size, and Epimetheus is 140 by 100 kilometers. These and three other small satellites which just skirt Saturn's rings - Atlas, Prometheus and Pandora — may all be coagulations of particles from Saturn's rings. They are small enough for the purpose.

These small satellites may also be contributing to the disapperarance, eventually, of Saturn's rings.

Of course, 100 million years is a long time on a human scale, and we need not be fearful that the glorious rings will disappear from our vision, Yet, even so, a sadness sweeps over us when we think that something so marvelous will not last forever.

(C)1991.Los Angeles Times Syndicate