토성

토성(Saturn)은 태양에서 6 번째로 가까운 행성이다. 태양에서 토성까지는 원일점 거리 1,514.50x10⁶ km, 근일점 거리 1,352.55x10⁶ km이다. 태양계에서 두 번째로 큰 행성으로 가장 폭이 넓은 고리를 갖고 있다.

목차

토성은 기체로 이뤄진 가스형 행성으로 고체 상태의 표면이 없기 때문에 크기를 나타낼 때 1기압인 지역을 기준으로 삼는다. 이를 기준으로 한 토성의 적도반지름은 지구의 약 9.449 배인 60,268 km이며, 극반지름은 지구의 8.552 배인 54,364 km이다. 적도반지름과 극반지름의 큰 차이는 기체로 이뤄진 토성이 빠른 속도(토성의 1일은 지구의 10.656 시간(즉, 자전주기)에 해당한다.)로 자전해 적도 지역이 불룩하게 나왔기 때문이다.

토성의 밀도는 물(1000 kg@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@m^-3)보다 낮은 687 kg@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@m^-3으로 태양계 행성들 중에 가장 낮다. 즉, 토성을 담을 수 있는 수영장이 있다면 토성은 물에 뜨게 된다. 토성은 유체(기체) 상태이기 때문에 자전주기를 3가지로 나누어 시스템 I(System I)(극지역), 시스템 II(System II)(극 이외의 지역), 시스템 III(System III)(전파 방출원을 기준으로 정한 토성 내부)과 같이 표시하는데, 이 중 시스템 III이 가장 많이 사용된다.

토성의 소용돌이(Vortex) 혹은 극지역의 육각형(Polar hexagon)으로 알려진, 극지역의 대기 흐름 때문에 나타나는 현상은 1981년 보이저 탐사선이 최초로 관측했다. 그 이후 카시니 탐사선은 이에 대한 고해상 영상을 보내왔다. 2009년 카시니 탐사선은 태양빛을 받는 영역에 대해서 적외선 영상을 처음 얻었으며, 과학자들은 이들 영상을 조합해 토성이 자전하는 모습을 동영상으로 공개했다. 이 구조는 북위 78도 부근에서 명확하게 나타나며, 현재로써는 극을 중심으로 부는 빠른 대기의 흐름(제트기류)과 관련된 것으로 생각된다. 육각형 구조의 변의 길이는 약 13800km 정도이며 구조가 일정하게 유지되는 정상파(Standing wave)로 보인다. 이 현상은, 실험실에서 물과 같은 유체를 회전시킬 때 유체 속도가 위치에 따라 다르게 생기는 난류 현상으로 재현한 연구가 발표된 바 있다. 그러나 중력, 온도, 유체의 종류와 속도가 전혀 다른 환경에 똑같이 적용할 수 없기 때문에 이 현상이 토성 북극에 나타나는 육각구조의 원인이라고 아직 확정하기 어렵다. 토성 대기의 육각형 구조는 토성 북극에서 뚜렷하게 나타나고 있는 반면, 남극에서는 소용돌이 폭풍처럼 원형에 가까운 모습으로 나타난다.

그림 1. 카시니 탐사선이 촬영한 토성 북극주변 육각형 소용돌이(출처: )

그림 2. 카시니 탐사선이 촬영한 토성 남극을 중심으로 한 폭풍(출처: )

토성은 기체로 이뤄진 행성으로 전체 구성성분의 약 96.3%가 수소이며, 약 3.2%는 헬륨이다. 그 외에 메테인(약 0.45%)과 암모니아(약 0.125%), 중수소 화합물(약 0.011%), 에테인(약 0.0007%)과 같은 기체가 소량으로 구성되어 있다. 또한 암모니아와 물 등이 입자형태(에어로졸)로 대기를 이룬다. 그러나 토성 질량의 대부분은 높은 압력 때문에 기체상태로 존재하지 못한다. 목성형행성들은 구성 성분의 비율에 있어서 차이가 있지만 구성 성분의 종류는 서로 비슷하다. 토성 표면에서는 시속 1,800 km 이상의 바람이 부는데, 이는 목성에서 부는 바람보다 빠르다.

토성의 내부구조는 구성성분의 대부분이 기체이지만, 높은 압력 때문에 핵 부근에는 전기전도성을 가진 금속성 수소와 헬륨(Metallic hydrogen과 Helium) 층이, 중심부에는 철, 니켈, 규소, 산소, 수소와 같은 화합물로 된 핵이 존재할 것으로 예측되며 온도는 섭씨 11,700도 정도에 이를 것으로 보인다. 이는 토성이 태양으로 받는 열에너지의 2.5배에 달하는 에너지이다. 토성 내부구조는 다른 목성형행성들과 유사하다(그림 3 참조).

그림 3. 목성형 행성의 내부구조(출처: 한국천문학회)

토성의 내부 압력은 최고 1000기압 이상이며, 1기압에 해당하는 지역에서는 온도가 약 134K(섭씨 영하 139도)에 해당한다. 이러한 압력과 온도의 관계는 행성 대기의 구조와 특성을 연구하는데 필수적이며, 현재 알려진 토성의 온도-압력관계는 그림 4와 같다.

그림 4. 토성의 압력-온도관계 그래프 (출처: 한국천문학회)

토성의 위성은 2024년 3월 현재 146개가 발견되었으며, 이들 중 63개에 정식으로 이름이 부여되어 있다. 이들 중 가장 큰 위성은 타이탄으로 태양계에서 두 번째로 크며, 수성보다도 크다. 타이탄은 태양계에서 가장 짙은 대기가 있는 위성으로 기압은 지구 대기의 약 1.4배(표면대기압 1.4 bar)에 달한다.

엔셀라두스(Enceladus)는 토성의 6번째로 큰 위성으로 표면이 얼음으로 덮여 표면 반사도가 높다. 엔셀라두스에 접근한 카시니 탐사선은 남극 부근에서 수증기 상태의 물질이 분출하는 모습을 쵤영했으며, 이러한 간헐천을 100개 이상 발견했다. 엔셀라두스의 얼음 아래에는 액체로 된 바다가 있을 것으로 예상된다. 이 때문에 생명체 존재 가능성이 대두된다.

토성의 고리는 이탈리아 천문학자 갈릴레오 갈릴레이가 처음 발견했다. 당시에는 망원경 성능이 좋지 못해 이를 처음 본 갈릴레오는 토성에 '귀'가 있다고 기록했다. 토성이 고리를 두르고 있다는 것을 처음 확인한 사람은 네덜란드 천문학자 크리스티앙 하위헌스이다. 그는 1655년, 50배의 굴절망원경을 이용해 토성 적도 주변에 납작하고 얇은 고리가 있다는 것을 밝혔다. 이후 1675년, 이탈리아 천문학자 죠바니 도메니코 카시니는 토성의 고리는 하나가 아니라, 여러 개의 가는 고리로 구성돼 있으며, 고리와 고리 사이에는 간극이 있다는 것을 알아냈다.

토성의 고리는 토성 적도로 부터 약 7000 km 되는 곳부터 시작해 폭이 약 73,000 km 에 달하며 A~G링으로 구분된다. 특히, A링과 B링 사이는 넓게 분리되어 있는데, 이를 카시니 간극이라고 부른다(그림 5 참조). 링의 두께는 얇은 곳이 10 m 정도이며, 가장 두꺼운 곳도 1 km 정도에 불과하다. 토성 궤도와 지구 궤도는 기울어져 있다. 이 때문에 15 년마다 얇은 얇은 고리의 옆면이 지구를 향해 마치 아무것도 없는 것처럼 보인다.

그림 5. 토성 위성과 고리의 구조(출처: )

토성 자기장의 세기는 토성 적도 상공에서, 토성 반경만큼 떨어진 곳에서 0.215 G(가우스)이다. 이는 목성의 자기장과 비교했을 때 1/20 수준으로 매우 약하며, 오히려 지구 자기장과 비슷하거나 약한 수준이다. 또한 다른 행성들과 달리 자전축과 자기장 축이 일치한다. 즉, 진북과 자북이 같고, 지구와 비슷하게 오로라가 관측된다(그림 6).

그림 6. 토성의 오로라. 2005년 1월 24일, 26일, 28일에 허블우주망원경으로 자외선 파장대역에서 관측한 토성 남극 주변의 오로라(출처: )