천문학에서의 토성

토성(Saturnus)은 태양으로부터 여섯 번째에 있는 태양계의 행성이다. 고중세 동양에서는 진성(鎭星)이라고도 불렀다. 토성은 태양계 내의 행성 중 목성에 이어 두 번째로 크며, 지름은 약 12만 킬로미터로, 지구의 9.1배이며 부피는 760배에 달한다. 이에 비해 질량은 지구의 95배 밖에 안되기 때문에 토성의 평균 밀도는 0.7g/cm3에 지나지 않는다. 그리고 토성의 표면 중력은 지구와 비슷하다. 토성은 목성, 천왕성, 해왕성과 함께 목성형 행성으로 분류된다.

서양의 명칭(Saturn)은 로마의 신 '사투르누스(Saturnus)'에 기원한다. 영어에서 토요일을 나타내는 saturday도 여기서 나왔는데, 이는 그리스 신화에서의 제우스의 아버지인 크로노스, 바빌로니아에서는 니누르타(Ninurta)에 해당된다.

특징

토성의 질량은 지구의 약 95.1배이며 지름은 9배인 12만 km가량으로서 크기와 질량에서 목성 다음으로 태양계에서 큰 행성이다. 하지만 토성의 부피는 지구의 750배나 돼 토성의 밀도는 태양계 내의 모든 천체뿐만 아니라 물보다도 작다. 토성의 대기는 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 주류를 이루고 약간의 메탄과 암모니아가 첨가되어 있다. 토성의 표면온도는 섭씨 영하 180℃를 기록하고 있다. 토성의 온도가 낮은 이유는 태양과 너무 멀리 떨어져 있기 때문으로 지구가 태양으로부터 받는 열량의 100분의 1밖에 받지 못한다. 이 추위 때문에 토성에서는 암모니아는 물론 메탄 등이 결빙해 고체 형태로 존재한다. 이 때문에 토성 상공 1,000km아래는 수증기와 암모니아 구름이 공존하고 있으며 대기의 유동 속도가 커서 적도에서는 시속 1,800km의 강풍이 사납게 휘몰아치고 있다. 토성은 태양에서 14억 2,672만 km 떨어져 있어 공전하는데 29.4571년이 걸리지만 자전속도는 매우 빨라서 10시간 33분 38초마다 한 번씩 자전한다. 토성은 태양계 행성 가운데 매우 멀리 있는데도 밝은 빛으로 빛나며 수성보다도 밝은 빛을 낸다.

토성의 고리와 위성

토성은 목성과 모든 면에서 아주 비슷하지만 아름다운 고리로 사람들을 놀라게 한다. 토성에 대한 연구는 1610년 갈릴레이에 의해 본격적으로 시작되었으며 그는 처음에 토성의 고리를 보고 이것을 '토성의 귀 또는 손잡이'라고 부르기도 했다. 그러나 훗날 그가 죽은 뒤 50년 후인 1659년 네덜란드의 천문학자인 호이겐스(Huygens)에 의해 그것이 고리라는 것이 밝혀지고 최근의 보이저가 관측할 때까지는 너무 희미해서 상세하게 알 수는 없었다. 토성의 신비는 태양계 탐사 우주선 보이저 1,2호에 의해 낱낱이 밝혀졌다. 토성에는 모두 60개의 위성이 있는 것으로 2006년 11월까지 확인되었으나, 2019년 10월에 와서 토성의 위성은 82개이며 현재까지 태양계 중 가장 위성이 많은 것으로 밝혀졌고, 앞으로 더 발견될 수도 있을 것이다. 토성의 위성 가운데 타이탄은 발견 역사가 가장 오래됐고 다른 태양계 위성 중에서는 볼 수 없는 짙은 대기로 감싸여 있다. 토성은 초 9.7km속도로 태양계를 일주하는 데 지구 시간으로 꼬박 29.6년이나 걸린다.

토성의 위성

토성은 82 개의 위성을 가지고 있다. 이 위성들 대부분은 얼음 덩어리로 이루어져 있으며 일부는 암석도 군데군데 섞여 있다. 토성의 위성은 1659년에 처음으로 발견되었으며 이 해는 호이겐스에 의해 토성의 고리가 발견된 해이기도 하다. 이 위성은 200년 뒤 로마 신화의 새턴(토성의 신 이름)과 친인척 관계인 타이탄이라고 불렀다.

토성의 위성 중 하나인 타이탄은 크기 5150km, 질량 1.35*1023으로,태양계 위성 중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성이다. 타이탄은 표면 중력이 작음에도 불구하고 온도가 낮아 대기를 가지고 있고, 1944년 천문학자 카이퍼는 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했다.

토성 탐사

지금까지 토성을 탐험한 우주선은 파이어니어 11호와 보이저 1, 2호 등이다. 이 중 파이어니어 11호는 6년 동안 32억 km를 여행한 끝에 1979년 9월 1일에 처음으로 토성에 도착했다.

파이어니어 11호의 관측에 의하면 토성은 지구보다 1,000배나 더 강하지만 목성보다는 20배 약한 자장을 가졌으며, 토성 주위에는 2개의 새로운 띠가 있었다. 보이저 1호는 1980년 11월 12일에 토성을 지나가면서 새로운 띠와 위성 3개를 발견했고, 토성의 위성인 타이탄에 질소로 구성된 대기가 있음을 발견했다.

물리적인 특성

토성의 밀도는 태양계 행성들 중 가장 낮다. 자전 속도는 빠르며 표면은 고체가 아니다. 이러한 요소들이 결합하여 토성의 외관은 회전 타원체 형태로 눌려 있다. 토성의 극반지름과 적도 반지름은 대략 10% 정도 차이가 나는데, 극에서 54,364km임에 반해 적도 반지름은 60,268km에 이른다. 다른 가스 행성들도 찌그러진 것은 마찬가지이나, 토성처럼 심한 경우는 없다. 토성의 중심핵 부분의 밀도는 높을 것으로 예상되지만, 전체적인 토성의 밀도는 0.69g/mL에 불과하다. 따라서 토성의 질량은 지구의 95배 정도이다.(목성의 질량은 지구의 318배에 이르지만, 반지름은 토성보다 20퍼센트 더 큰 정도이다)토성은 물에 띄워진다고들 하지만 토성은 물에 띄워지는 성질이 아니고, 밀도만 따지면 그렇다. 토성을 담을정도의 물은 액체상태를 유지할수 없다.

내부 구조

토성의 내부가 어떻게 되어 있는지 정확하게 알려져 있지는 않지만 목성과 비슷할 것으로 생각된다. 구체적으로 암석 물질로 이루어진 핵 위를 수소와 헬륨이 둘러싸고 있을 것으로 보인다. 암석핵은 지구와 물질 조성은 비슷하나 밀도는 더 높다. 핵을 금속 수소의 두꺼운 층이 둘러싸고 있으며 그 위는 액체 수소 및 헬륨의 층이 있다. 최외곽층 1000km는 기체 수소 및 헬륨의 층일 것이다. 여러 종류의 물질로 이루어진 얼음들이 소량 포함되어 있다. 중심핵 질량은 지구의 9배에서 22배 정도일 것으로 보인다. 토성의 중심부는 11,700℃ 정도로 매우 뜨거우며 태양으로부터 받는 복사열의 2.5배에 이르는 에너지를 우주로 방출한다. 이 가외의 에너지 대부분은 켈빈-헬름홀츠 기구(완만한 중력수축 과정)를 통해 생산되지만 이 이론만으로 토성의 내부열을 모두 설명할 수는 없다. 토성 내부 깊은 곳에서 '헬륨의 비가 쏟아지는' 과정을 통해 열에너지 일부가 추가로 생겨난다는 이론이 제기되었다. 헬륨 방울들은 내부로 추락하면서 보다 가벼운 수소와 마찰을 일으켜 열을 방출한다고 생각된다.

대기

토성도 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 대기의 거의 전부를 이루고 있다. 조성 비율은 수소 93.2%에 헬륨 6.7%이다. 이외에도 암모니아, 아세틸렌, 에테인, 인화수소, 메테인 성분도 적은 분량이지만 검출된다. 토성의 내부는 중심 부분만 고체로 이루어져 있고, 나머지는 압축된 헬륨과 수소로 이루어진 것으로 추측된다. 토성은 태양과 약 14억 km 떨어져 대기층의 평균 온도는 목성보다 낮은 -145℃ 정도이다. 토성 표면에도 목성과 비슷한 가로줄 무늬와 반점이 있다. 이것은 자전주기가 빨라서 대기의 격렬한 흐름과 소용돌이 때문에 나타나는 것이다.

공전 궤도와 자전

토성과 태양 사이의 평균 거리는 1,400,000,000 킬로미터(9 천문단위)이다. 공전궤도 평균 속도는 9.69km/s로, 지구 시간으로 태양을 1회 공전하는 데에는 10,759일(29.5년)이 걸린다. 토성 궤도 경사각은 지구 공전면에 대해 2.48도 기울어져 있다.[4] 궤도 이심률이 0.056이기 때문에 토성과 태양 사이 거리는 태양에 가장 가까울 때와 멀어졌을 때 차이가 약 155,000,000 킬로미터이다.

토성은 기체로 이루어진 행성이라 차등자전을 하며, 자전축은 공전궤도면에 비하여 약 27° 기울어져 있다. 기울어져서 공전을 하므로 지구처럼 계절이 생긴다. 지구에서 봤을 때 대략 30년을 주기로 고리의 모습이 바뀌게 된다, 고리의 평면이 태양과 일치할 때 우리의 시각에서는 토성의 고리가 보이지 않게되며 한 주기에 두 번 즉 약 15년에 한 번씩 일어나게 된다.

다른 유체 천체와 마찬가지로 토성 표면에 보이는 구조들은 위도에 따라 다른 속도로 행성을 일주한다. 속도 차이에 따라 계(系:) I, II로 나눌 수 있다. 계 I은 공전 주기 10시간 14분 00초로 지구 시간 1일에 844.3도 회전하며 ‘적도 지역’(남방 적도대의 북쪽 경계면부터 시작하여 북방 적도대의 남쪽 경계면까지 미치는 부분)이 여기에 해당된다. 계 I 지역을 뺀 나머지 부위는 같은 속도로 자전하며 이를 계 II라고 부른다. 계 II는 공전 주기 10시간 39분 24초로 지구 시간 1일에 810.76도 회전한다. 보이저 호 플라이바이 때 행성으로부터 방출된 전파에 기반하여, 새로운 지역 계 III를 정의할 수 있다. 이 지역의 공전 주기는 10시간 39분 22.4초로 지구 시간 1일에 810.8도 회전한다. 계 II와 III의 물리적 수치는 매우 비슷하다.

그러나 토성 내부 물질들의 정확한 자전 주기는 제대로 밝혀지지 않았다. 2004년 카시니 호는 토성에 접근하면서 토성의 전파 자전 주기가 10시간 45분 45초(± 36초)로, 인식 가능할 정도로 느려졌음을 확인했다. 이러한 변화의 원인은 알려져 있지 않다. 종전에는 변화 원인을 토성의 자전 속도 변화 때문이라기보다는 전파원이 토성 내부 다른 위도로 이동, 각기 다른 공전 속도로 행성을 돌기 때문인 것으로 추측했다.

이후 2007년 3월 전파방출 자전은 행성의 자전 속도를 따르지 않음이 밝혀졌다. 측정된 자전 주기 값이 다양한 원인으로 토성의 위성 엔셀라두스의 간헐천 활동을 들고 있다. 간헐천 활동으로 토성 궤도상에 방출된 수증기는 대전된 뒤 토성의 자기장을 약화시키며, 자기장 자전 속도를 행성 자체 자전 속도보다 조금 늦춘다. 이 발표 당시 기준으로, 토성의 중심핵 자전 속도를 구할 수 있는 방법은 달리 없는 것으로 언급되었다.

2007년 10시간 32분 35초, 토성의 정확한 자전 주기가 발표되었는데, 이 값은 보이저 호, 파이오니어 탐사선, 카시니 호가 수집한 자료들을 취합 분석하여 낸 수치이다.