[태양계 7대 불가사의] 토성의 고리(The Rings of Saturn)
[태양계 7대 불가사의] 토성의 고리(The Rings of Saturn)
태양계의 모든 불가사의 중 토성의 고리만큼 놀라운 것은 없습니다. 태양계에서 두 번째로 큰 행성인 토성은 고리가 있는 유일한 행성은 아니지만 토성의 것이 가장 눈에 띄고 장관입니다(목성, 천왕성, 해왕성에도 고리가 존재합니다).
1610년 이탈리아의 과학자인 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)가 처음으로 망원경이라는 새로운 발명품을 이용하여 토성의 반지에 대해 주목하기 시작했습니다. 처음에 갈릴레오는 자신이 보았던 것을 확신하지 못했고 토성이 하나가 아니라 양쪽에 두 개의 작은 물체가 있는 것이라고 생각했습니다. "행성 토성은 홀로 있는 것이 아니라, 거의 서로를 만질듯이 위치하고 있으며 움직이거나 변화하지 않는 세 개로 구성되어 있다"고 그는 적었습니다. 나중에 그는 이 행성에 "귀"가 있다고 설명했습니다. 더 수수께끼 같은 것은 그가 1612년에 그것을 다시 보았을 때였습니다. "귀"가 사라졌다가 1613년에 다시 모습을 드러냈습니다.
1655년 또 다른 과학자인 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens)가 더 강력한 망원경을 사용하여 갈릴레오가 본 것이 행성을 둘러싼 고리라는 사실을 알아냈습니다. 1612년에 사라진 것은 어떻게 된 것일까요? 토성이 태양을 도는 동안 지구에서 볼 때 그 각도가 바뀝니다. 1612년에는 매우 좁은 고리가 지구 가장자리를 마주보고 있었고 시야에서 사라졌습니다. 그들은 1613년에 행성이 궤도를 따라 이동할 때 행성의 각도가 계속 변함에 따라 다시 나타났습니다. 오늘날 토성의 고리가 약 14년마다 시야에서 사라진다는 것을 알게 되었습니다.
1675년 천문학자 지오반니 도메니코 카시니(Giovanni Domenico Cassini)는 그 고리가 단단하지는 않았지만, 간격이 있는 다중 고리로 구성되어 있음을 발견했습니다. 이 간격 중 가장 큰 것은 그의 업적을 따서 카시니 갭(Cassini Gap)이라고 명명되었습니다. 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 고리가 견고한 물체가 될 수 없다고 보았고 1859년에 그들에게 부여된 중력에 의해 그들을 찢을 수 있다고 계산했습니다. 그는 실제로 그들이 수백만 개의 작은 입자들로 구성되어 있으며 토성 주변의 궤도에 있다고 추측했습니다. 이 이론은 1895년 피츠버그대(University of Pittsburgh)의 Allegheny Observatory에서 망원경을 통한 고리의 분광학 연구에 의해 확인되었습니다.
현대 망원경과 우주 탐사선으로 관측한 결과, 토성을 돌고 있는 동심원 고리가 적어도 12개가 있음을 보여줍니다. 대부분은 발견된 순서대로 알파벳으로 지정되었습니다(예를 들어 카시니 갭은 A와 B링의 경계에 있습니다). 지구의 망원경으로 쉽게 볼 수 있는 고리의 부분은 토성의 중심에서 약 41,570마일(66,900km) 떨어진 D링에서 시작하여 87,104마일 (140,180km) 떨어진 F링으로 이어집니다. 이것은 45,534마일(73,280km) 또는 지구 지름의 약 5.5배입니다. 그러나 주로 먼지로 구성된 고리의 보이지 않는 부분은 토성 중심에서 8백만 마일(13,000,000km)까지 존재하고 있습니다.
눈에 보이는 고리 부분은 지구와 달 사이의 3/4거리인 174,208마일(280,360km)의 직경을 가지며 고리의 너비는 30피트(10m)에서 3,200피트(1km) 사이입니다. 고리가 차지하는 거대한 영역에도 불구하고 고리는 조밀하지 않으며 고리의 전체 양은 상대적으로 적습니다. 만약 한 곳에서 모아보면 246마일(396km)의 지름을 가진 미마스(Mimas)와 같은 토성의 중형 위성 중 하나의 부피와 비슷할 것으로 추정됩니다.
분석 결과, 고리는 미네랄이 일부 포함된 약 99.9%의 얼음으로 구성되어 있습니다. 고리를 구성하는 입자는 자갈에서 작은 집 크기까지 다양합니다. 우주 탐사선의 사진을 보면 고리 안에 복잡한 패턴이 나타나 고리가 꼬인 것처럼 보일 수 있습니다. 고리의 패턴은 아마도 토성과 그 많은 위성의 중력이 상호 작용하여 나타난 것일 수 있습니다. 여러 개의 작은 "양치기 위성(Shepherd moon)"이 고리 안에서 궤도를 돌면서 틈새를 만듭니다. 예를 들어, F 링은 프로메테우스(Prometheus)가 내부 가장자리에 있고 판도라(Pandora)가 바깥 쪽 가장자리에 있습니다.
고리가 어떻게 생성되었는지에 대한 몇 가지 이론이 있습니다. 19세기 프랑스의 천문학자이자 수학자 Édouard Roche는 고리가 토성의 큰 위성의 껍질을 벗겨낸 것으로 주장했습니다. 수학적으로 그는 모행성의 중력이 위성을 조각으로 깨뜨리지 않는 범위에서 얼마나 모행성에 가까이 갈 수 있는지를 계산했습니다. ‘로슈 한계(Roche limit)’로 알려진 이 규칙은 모든 천체에 대해 계산될 수 있습니다. 토성의 고리는 로슈 한계 내에 있습니다.
Roche의 생각에 따르면, 기존 위성이 토성과 가까워졌을 때 깨진 것은 초기 이론이었지만 유일한 것은 아닙니다. 또 다른 이론은 고리가 토성이 형성된 원래의 물질로부터 남겨진 물질이라는 것입니다. Roche 한계 밖의 물질은 결국 자신의 중력 하에 함께 토성의 위성을 형성하는 덩어리로 그려지며, 한계 내부의 물질은 펼쳐져 고리를 만듭니다. 로슈 이론의 또 다른 변형은 기존의 위성이 커다란 혜성이나 소행성에 충돌하여 작은 조각으로 부서져 고리를 형성했다는 것입니다.
1980년대까지는 천문학자들이 지구의 망원경으로 토성의 고리에 대해 알게 되었다. 그러나 10년 동안 우주탐사선 보이저1호와 2호가 토성에 접근하여 여러 고리의 고해상도 사진을 찍었습니다. 가장 최근인 2005년에 카시니-호이겐스 탐사선(17세기 두 천문학자의 이름을 땄음)은 실제로 F 링과 G 링 사이의 틈을 통과했습니다. 그것은 토성의 주변에서 계속 작동하여 지구상의 과학자들에게 토성과 위성, 고리에 대한 사진 및 관찰 결과를 전송합니다.
과학자들은 고리가 얼마나 오랫동안 토성을 돌고 있는지 확실하지 않다고 합니다. 그러나 카시니 탐사선의 자료에 근거한 최근의 추정치는 태양계의 나머지 부분과 거의 같은 약 40억 년으로 고리의 나이를 추정하고 있습니다.
우리는 토성의 고리가 어떻게 형성되었는지, 얼마나 오래되었는지를 정확히 알지 못하지만 한가지만은 확실합니다. 그것은 우리의 태양계의 불가사의와 아름다움을 뛰어넘는 것입니다.
참고자료 : http://www.unmuseum.org/7wonders/saturn_rings.htm