밤하늘의 토성 > 행 성

[오마이뉴스 조재성 기자]밤 하늘의 보석이라고 불릴 만큼 강렬한 인상의 아름다운 고리 행성, 토성. 밤 하늘에서 육안으로 보면 밝은 별 중의 하나로 보이는 토성은 렌즈 지름 60mm 정도의 작고 허름한 천체 망원경으로 겨누어도 노르스름한 빛을 발하는 고리가 선명하게 보인다.



▲ 예천에서 촬영한 토성. 고리의 검은 간극과 본체의 그림자가 고리 뒤편에 드리워져 있다.

ⓒ2004 예천어린이우주과학관
게다가 요즘 여러 매체를 통해서 더욱 유명세를 타고 있다. 미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)의 합작품인 '카시니-호이겐스(Cassini-Huygens)'호가 7월 1일 토성 궤도에 진입한 후 많은 영상 자료를 보내 오고 있기 때문이다.


1979년 파이어니어 11호를 시작으로 보이저 1, 2호가 토성을 지나치며 탐사했으며, 이제 카시니-호이겐스호가 토성 탐사만을 목적으로 도착한 것이다. 카시니는 4년간 토성 영역을 비행하며 탐사할 '궤도선'이며, 호이겐스호는 타이탄 위성을 탐사할 '착륙선'이다.


토성 프로파일


토성은 지구와 12억8천km 거리에 있으며, 목성 다음으로 태양계에서 덩치가 큰 행성으로 지구보다 무려 7백 배 이상이나 크다. 그러나 대부분 수소(74%)와 헬륨(24%)으로 이루어져 질량은 지구의 95배에 지나지 않아 비중이 매우 낮은 0.7 정도에 불과하다. 커다란 수영장에 넣는다면 토성은 물에 둥둥 떠 다니게 되는 것이다.


토성의 하루는 적도에서 10시간 15분, 극지방에서 10시간 40분에 불과할 정도로 빠른 속도로 자전하고 있다. 이렇게 빠른 속도로 자전하고 있는 데다, 지구와 같은 딱딱한 암석형 행성에 비해 상대적으로 유체 상태의 행성인 이유로 적도 지방이 극 지방에 비해 약 10% 정도 불룩 삐져 나와 있다(적도 지름 12만536km, 극지름 10만8728km). 일반인들도 망원경으로 관찰하면 알아볼 수 있을 정도로 태양계 행성 중 가장 찌그러져 있다. 참고로 지구를 비롯한 모든 행성과 항성(별)은 정도의 차이가 있지만 옆구리가 튀어나온 짱구들이다.


토성연구의 역사


1610년 처음으로 망원경을 이용해 토성을 관찰한 천문학자는 이탈리아의 갈릴레오였다. 자작한 망원경으로 토성 고리를 발견하였으나, 망원경의 성능이 현재의 기준으로 볼 때 매우 조잡하여 고리로 인식하지 못하고 두개의 '달'로, 후에는 토성의 '팔'이나 '손잡이'로 생각하였다. 그를 더욱 놀라게 한 일은 토성의 고리를 발견한 뒤 2년 만에 고리가 사라져 버린 것이다!




▲ 토성과 지구의 상대적 위치에 의한 고리의 변화. 허블우주망원경으로 촬영.

ⓒ2004 NASA
초창기 망원경 관측자들을 놀라게 한 것은 약 15년을 주기로 사라졌다 몇 달 뒤 다시 나타나는 고리의 변화였다. 1648년이 되어 고리가 고리로 인식되었으며, 1659년 네덜란드의 '호이겐스'가 지구와 토성의 공전 궤도면의 기울어짐 등에 따른 토성 고리 변화의 기하학적 원인을 발표하였다. 지난 7월 1일, 토성에 막 도착한 탐사선의 이름에 '호이겐스'가 들어간 이유 중 하나이다.


오른쪽의 토성 사진을 보면 고리 사이에 어두운 간극이 보이는데 이를 '카시니 간극(Cassini Division)'이라 한다. 이탈리아 출생으로 후에 파리천문대 대장을 지낸 카시니가 1675년 발견했기 때문이다. 탐사선의 이름에 '카시니'가 들어간 이유이기도 하다.


고리


토성에는 발견 순서에 따라 A~F로 이름 지어진 고리들이 있다. 그러나 하나 하나의 고리에는 많은 작은 고리열이 있어 지난 시절의 LP 레코드판을 연상시키기도 한다. 작은 망원경으로 보면 토성 고리가 한통으로 연결된 미끈한 구조체로 보인다. 실은 대부분 얼음이나 얼음으로 덮인 덩어리 등이 거리를 두고 모여 궤도 운동을 하고 있는 것이다. 덩어리의 크기는 수cm에서 수m에 이르며, 수km에 달하는 큰 덩어리도 있는 것으로 알려져 있다.




▲ 카시니 탐사선이 촬영한 LP레코드 판을 연상시키는 복잡한 구조의 토성고리열.

ⓒ2004 ESA, NASA
토성 고리의 폭은 25만km 이상에 달하지만, 두께는 1km 이하로 매우 얇아 17세기 갈릴레오가 토성고리가 사라졌다고 놀란 게 이해가 되기도 한다. 400여 년이 지난 현재의 지구상 망원경으로도 12억8천만km 떨어져 있는 토성의 고리가 지구 관측자와 일직선상에 놓였을 때 1km도 안되는 두께의 고리를 볼 수 없으며, 고리의 물질을 모두 모아도 지름 약 1~2백km의 위성이나 소행성급 천체에 불과하다.


토성의 고리는 1977년 천왕성의 고리가 발견되기 이전에는 유일한 행성 고리로 인식되었다. 현재는 토성 고리와는 밝기, 크기, 구성 요소 등에서 많은 차이가 나지만 거대 가스 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 모두가 고리를 가진 것으로 밝혀졌다.


과거에는 약 46억년 전 태양계 생성 당시에 고리가 만들어진 것으로 여겨졌다. 현재는 수억 년 전에 토성에 가까이 다가가던 위성급 천체가 토성의 강한 인력에 의해 조각조각 찢겨졌거나, 토성의 위성과 소행성간의 충돌로 부서진 조각들이 고리를 이룬 것으로 보고 있다. 하지만 이 또한 명확한 것은 아니다.




▲ 카시니가 촬영한 타이탄의 표면. 어두운 부분은 물의 얼음, 밝은 부분은 얼음과 탄화수소가 섞여 있는 부분으로 추측된다.

ⓒ2004 NASA
토성 고리에 나타나는 '살(spoke)', '매듭(knots, braids)' 구조와 '물결' 무늬 등 앞서의 지상 관측과 탐사선에 의해 발견된 이 구조들을 해석하기 위한 이론과 컴퓨터 모의 실험 등의 결과를 카시니 탐사 결과와 접목해 보고 또 더 많은 자료를 수집하여 정확한 해석을 끌어내고자 하는 것이다.


어찌되었든 토성 고리 형태 자체와 또 유지는 매우 드문 일로 행성천문학자들은 여기고 있다. 먼 훗날 토성고리는 '은하계문화유산'이 될만한 놀라운 존재일지도 모른다. 이 존재의 신비를 풀기 위한 것이 카시니의 주요 임무 중 하나인 것이다.


토성은 현재 31개의 달(위성)이 발견되어 있으며, 그 중 가장 큰 위성은 '호이겐스'가 발견한 타이탄이며, 이 위성은 행성인 '수성'보다 더 커 지름이 5100km가 넘는다. 그동안의 관측과 연구에서 타이탄의 짙은 대기 아래 물과 얼음이 존재할 것으로 예상되어, 화성과 마찬가지로 원시 생물의 존재 여부가 궁금한 위성이다.


7월 5일 타이탄에서 33만9000km 떨어져 비행한 카시니는 '물의 얼음'과 '얼음과 탄화수소'가 섞여 있는 것으로 보이는 물질을 발견하였다. 앞으로 4년에 걸쳐 타이탄 주변을 45회 비행하고, 950km까지 다가가 자료를 수집할 예정이며, 호이겐스호는 올 크리스마스에 짙은 대기를 뚫고 타이탄에 착륙할 예정이다.


타이탄에서 생명체의 존재나 흔적이 발견될지 궁금하기도 하다. 그러나 미지의 세계에서 보내오는 풍경 사진만으로도 놀라운 일이 될 것이다.

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