수,금,지,화,목~토성과 토성 고리의 비밀

토성을 둘러싸고 있는 거대한 고리의 입자들이 토성에 얼음 비처럼 내리며 상층 대기를 가열하는 현상이 확인되었다. 이는 40년간 가려져온 현상이 규명된 것으로, 고리 가진 외계행성을 찾는 단서가 될 것이다.

 

1. 토성의 고리 나이는 생각보다 더 어리다

지금까지 토성 고리는 태양계의 형성 초기인 40억 년 전에 생성 됐다는 것이 정설이었으나, 토성 탐사선 '카시니'호가 보낸 자료를 근거로 토성 고리가 형성된 것은 약 1억 년에서 2억 년 전 사이라는 결론을 내렸다.

 

지금까지 토성 고리 형성의 시나리오는 토성에 접근한 소행성이나 혜성 등이 중력에 의해 부서지면서 혀성됐다는 것이 정설이었는데, 새 시나리오에 따르면 토성의 위성이 궤도에서 벗어나면서 파괴된 잔해다.

 

연구팀은 1억 년 전 토성의 위성 중 하나가 타이탄의 중력 탓에 궤도에서 벗어나 토성에 너무 가까지 급접하면서 파괴됐다고 분석했다. 토성의 자전축이 공전 궤도면에서 약 27도 기울어져 있는 것도 위성이 파괴되는 과정에서 발생한 현상이라는 연구팀의 주장이 있다.

 

프랜시스 님모 산타크루즈 캘리포니아대 교수는 "지금까지 토성의 고리와 자전축은 별개의 문제로 다뤄졌지만 이제 하나의 사건에서 파생된 결과로 설명할 수 있게 됐다"라고 말했다. 

 

2. 토성 고리의 비밀을 풀다

미국 항공우주국 고더드 우주비행센터에 따르면 프랑스 천체물리학연구소의 로트피 벤-자펠 박사가 이끄는 연구팀은 토서의 고리와 상층대기 간 상호작용을 분석한 결과를  '행성과학저널'에 발표했다.

 

토성을 둘러싸고 있는 거대한 고리의 입자들이 토성에 얼음 비처럼 내리며 상층 대기를 가열하는 현상이 확인되었다.

 

3. 토성 상층 대기의 과도한 자외선 방사 분석

토성 상층 대기에서 뜨거운 수소 스펙트럼선으로 나타난 과도한 자외선 방사가 포착된 것이 단서가 됐는데 이는 무언가가 외부에서 유입돼 상층 대기를 오염, 가열하고 있다는 것으로 해석 됐다. 

 

이런 현상은 토성 고리의 얼음 입자가 토성 대기에 떨어져 나타났을 가능성이 가장 높은데, 미소 운석이나 태양풍 입자, 태양 자외선 방사, 전자기력 등의 충격으로 고리에서 떨어져 나온 입자가 토성의 중력장 영향을 받아 대기로 빨려 들었을 것으로 분석됐다. 

 

4. 토성 고리의 입자가 대기로 떨어진다?

토성 고리의 입자가 대기로 떨어진다는 점은 지난 2017년 토성 탐사선 카시니호가 토성 대기에 뛰어들며 임무를 종료할 때 이미 측정, 확인된 바 있다. 

 

하지만 이런 고리 입자가 수소 원자에 미치는 영향에 관해서는 밝혀진 것이 없었다. 벤-자펠 박사는 "모든 것이 대기로 연속해서 떨어지는 고리의 입자가 유발한 것으로, 대기 구성을 바꿔놓고 특정 고도에서 대기 가스와 충돌하며 대기를 가열했을 것"이라고 했다. 

 

연구팀은 정확도가 높은 허블우주망원경 이미징 분광기의 토성 자외선 관측 자료를 기준으로 1980년대에 토성을 근접 비행하며 자회선을 측정한 보이저호와 2004년 토성 궤도에 도착해 여러 해에 걸쳐 토성 대기의 자외선 자료를 수집한 카시니호, 1978년에 발사된 국제 자외선 탐사선 등의 자료를 비교했다

 

 모든 자외선 관측 자료를 모아 미세조정한 끝에 토성 대기에 과도한 자외선이 일관되게 존재한다는 점이 확인 됐다. 벤-자펠 박사는 "행성의 상층 대기에 미치는 고리의 영향에 관한 연구는 이제 시작일 뿐'이라며 "이번 연구의 목표 중 하나는 다른 항성을 도는 고리를 가진 행성을 어떻게 찾아낼 것인가를 알아내는 것"이라고 했다.

 

5. 토성에 단일 거대 위성이 존재하는 이유

현재까지 발견된 토성의 위성 숫자는 무려 82개나 된다. 그러나 가장 큰 위성인 '타이탄'을 제외하곤 나머지 위성들은 작다. 이처럼 토성이 단 하나의 거대한 위성을 갖게 된 이유는 약 10만 년이 넘은 위성계 진화 과정을 시뮬레이션한 결과

 

토성과 같은 가스행성이 실제로 위성을 흡수할 수 있으나, 특정 거리 내에 있는 경우에만 가능하다는 것을 확인했다. 또한 토성의 원반형 가스 디스크가 진화함에 따라  커다란 위성이 행성으로 추락하지 않도록 하는 안전지대가 형성될 수 있다는 사실을 발견했다.

 

1단계에서는 얼음과 먼지로 구성된 가스 디스크가 응축하면서 행성주위를 회전, 2단계는 디스크의 고체 성분이 점차 뭉쳐 위성 크기만큼 성장하고, 3단계에서는 이들 위성의 궤도가 디스크 내 가스의 영향으로 점차 변화하게 된다.

 

많은 위성들이 궤도를 그리며 행성에 가까이 다가가 결국 추락하는데, 행성 주위의 따뜻한 고압가스는 바깥쪽에 존재하는 모든 위성을 행성 쪽으로 끌어당기지 않고 밀어내기 때문에 거대위성은 행성과의 거리를 유지할 수 있다는 것이다.