수억 개의 얼음 조각으로 이루어진 토성의 장엄한 고리. 두께는 10미터인데 폭은 28만 킬로미터인 이 놀라운 구조의 형성 원리, A부터 G까지의 고리들, 카시니 간극의 비밀, 그리고 사라지고 있는 고리의 미래를 알아봅니다. 본문에서 토성 고리의 비밀, 태양계에서 가장 아름다운 구조에 대해서 자세히 살펴보겠습니다.
태양계에서 가장 장엄한 구조
토성 고리는 태양계에서 가장 인상적인 천체 구조로 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 처음 관측했는데, 당시 망원경 성능이 낮아 토성 양옆에 이상한 돌출부가 있다고 기록했고 1612년 이 돌출부가 사라져 혼란스러워했지만 이는 토성이 공전하면서 고리가 옆면으로 보여 얇아서 안 보인 것이었습니다. 1655년 크리스티안 하위헌스가 더 좋은 망원경으로 관측하여 토성을 둘러싼 평평한 고리임을 밝혔고, 1675년 조반니 카시니가 고리에 틈이 있음을 발견했는데 이를 카시니 간극이라 합니다. 토성 고리는 엄청나게 넓은데 내측 D 고리부터 외측 E 고리까지 거리가 약 48만 킬로미터로 지구에서 달까지 거리보다 더 멀지만, 두께는 놀랍도록 얇아서 주 고리의 두께가 평균 10미터에 불과하여 축구장만큼 넓은 종이 한 장과 비율이 비슷합니다. 고리는 수억에서 수조 개의 얼음 조각으로 이루어져 있는데, 크기가 밀리미터 크기의 먼지부터 수십 미터 크기의 바위까지 다양하며, 대부분은 센티미터에서 미터 크기이고, 순수한 물 얼음이 90-95%이며 나머지는 암석 먼지입니다. 각 입자는 독립적으로 토성 주위를 공전하는데 케플러 법칙을 따라 안쪽 입자는 빠르고 바깥쪽 입자는 느리게 움직이며, 가장 안쪽 D 고리 입자는 약 5시간에 한 바퀴, 가장 바깥쪽 E 고리는 며칠에 걸쳐 공전합니다. 고리는 햇빛을 강하게 반사하여 토성을 태양계에서 가장 아름다운 행성으로 만드는데, 반사율이 약 60-70%로 매우 밝으며, 이는 고리가 얼음으로 이루어져 있고 입자들이 태양 빛을 효율적으로 산란시키기 때문입니다.
고리의 구조와 형성
토성 고리는 여러 개의 주 고리와 간극으로 나뉘는데, 안쪽부터 D, C, B, A, F, G, E 고리로 명명되어 있고 발견된 순서대로 이름이 붙어 알파벳 순서가 아닙니다. D 고리는 가장 안쪽에 있고 매우 희미한데, 토성 대기 상층부와 거의 접해 있으며 입자 밀도가 낮고, 토성에서 약 66,900-74,500킬로미터 거리에 위치합니다. C 고리는 반투명한 고리로 크레이프 고리라고도 불리는데, 입자 밀도가 낮아 뒤의 별빛이 비쳐 보이며, 74,500-92,000킬로미터에 위치하고 여러 개의 좁은 간극과 링렛이 있습니다. B 고리는 가장 밝고 두꺼운 주 고리인데, 92,000-117,500킬로미터에 위치하며 입자 밀도가 높아 불투명하고, 두께가 5-15미터로 다양하며 내부에 밀도 변화가 심한 스포크라는 방사상 무늬가 나타나는데 이는 먼지 입자들이 정전기력으로 떠오른 것입니다. A 고리는 두 번째로 밝은 고리로 122,200-136,800킬로미터에 위치하는데, B 고리와 A 고리 사이의 4,700킬로미터 너비 간격이 바로 카시니 간극이며, 이 간극은 미마스라는 위성과의 2:1 궤도 공명 때문에 형성되는데 카시니 간극에 있는 입자는 미마스가 한 바퀴 도는 동안 정확히 두 바퀴를 돌아 주기적으로 미마스의 중력을 받아 궤도가 교란되어 간극이 유지됩니다. 카시니 간극 내부에도 희미한 링렛들이 있는데, 2009년 카시니 탐사선이 봄 춘분 때 고리를 측면에서 관측하여 발견했습니다. F 고리는 매우 좁고 복잡한 구조를 가진 고리로 140,180킬로미터에 위치하며 폭이 약 500킬로미터인데, 프로메테우스와 판도라라는 두 개의 작은 위성이 양쪽에서 중력으로 고리를 압축하여 좁게 유지하는 목자 위성 역할을 하고, F 고리는 꼬이고 뭉치고 매듭진 복잡한 모습을 보이는데 이는 작은 위성들과의 충돌이나 중력 상호작용 때문입니다. G 고리와 E 고리는 매우 희미하고 넓은데, E 고리는 토성에서 180,000-480,000킬로미터까지 뻗어 있어 가장 넓으며, 엔켈라두스 위성의 남극 간헐천에서 분출되는 얼음 입자들로 공급되어 유지됩니다. 토성 고리가 어떻게 형성되었는지는 여전히 논쟁 중인데, 세 가지 주요 가설이 있습니다. 첫째는 위성 파괴설로 과거 토성에 가까이 접근한 위성이나 혜성이 로슈 한계 안으로 들어와 조석력으로 파괴되어 고리가 되었다는 이론인데, 로슈 한계는 약 2.44 토성 반지름으로 이 거리 안에서는 천체가 중력으로 뭉쳐있지 못하고 산산조각 납니다. 둘째는 태양계 형성 잔해설로 토성이 형성될 때 남은 원시 물질이 로슈 한계 안에 있어 위성으로 뭉치지 못하고 고리로 남았다는 이론입니다. 셋째는 충돌설로 두 개 이상의 위성이나 큰 얼음 천체들이 충돌하여 파편이 고리를 형성했다는 것인데, 최근 연구들은 위성 파괴설과 충돌설을 지지하는 증거가 많습니다.
고리의 나이와 사라지는 미래
토성 고리의 나이는 최근까지도 논쟁거리였는데, 과거에는 토성만큼 오래되었다고 생각했지만 최근 연구는 훨씬 젊다는 증거를 제시합니다. 2017년 카시니 탐사선의 마지막 관측 데이터 분석 결과 고리의 질량이 예상보다 훨씬 가벼워서 총 질량이 미마스 위성의 약 40% 정도이고 물로 환산하면 지구 남극 대륙 빙하의 절반 정도인데, 이렇게 가벼우면 우주 먼지와 미소운석 충돌로 빠르게 어두워져야 하는데도 여전히 밝다는 것은 고리가 젊다는 의미입니다. 2019년 NASA 연구팀이 발표한 논문에 따르면 토성 고리는 약 1억-4억 년 전에 형성되었을 가능성이 높은데, 이는 토성 자체의 나이인 45억 년보다 훨씬 젊으며 공룡이 지구를 지배하던 시대에 형성되었을 수 있습니다. 젊은 고리 가설을 뒷받침하는 증거로는 고리의 높은 순도가 있는데, 90% 이상이 순수한 얼음으로 오랜 시간 우주 먼지에 노출되었다면 훨씬 더러워져야 하고, 위성들과의 공명 관계도 증거인데 현재의 정교한 공명 구조는 수십억 년 동안 유지되기 어렵습니다. 토성 고리는 현재 사라지고 있는데, 고리 물질이 토성 대기로 비처럼 떨어지고 있으며, 이를 고리 비라고 하는데 토성의 자기장을 따라 대전된 얼음 입자들이 대기로 끌려 들어가 초당 약 1,000-6,000킬로그램의 물질이 손실됩니다. 2018년 카시니 데이터 분석 결과 현재 속도로 고리가 사라진다면 약 3억 년 후면 대부분 없어질 것으로 추정되는데, 이는 우주적 시간 척도로는 매우 짧은 기간입니다. 카시니 탐사선은 1997년 발사되어 2004년 토성 궤도에 진입했고 2017년까지 13년간 토성 시스템을 관측했는데, 토성을 294번 공전하며 고리를 수천 번 촬영하고, 20개 이상의 위성을 연구했으며, 엔켈라두스의 간헐천과 타이탄의 메탄 호수를 발견했습니다. 2017년 9월 15일 연료가 바닥나자 카시니는 그랜드 피날레 임무를 수행하여 고리와 토성 사이의 좁은 공간을 22번 통과하며 고리의 질량과 구조를 정밀 측정했고, 마지막으로 토성 대기로 돌진하여 임무를 마쳤습니다. 토성 고리는 우리가 살아있는 동안 볼 수 있는 일시적인 현상일 수 있는데, 수억 년 후면 사라질 것이고 과거에도 고리가 있다가 사라지고 다시 형성되었을 가능성이 있으며, 다른 거대 가스 행성들도 과거에 고리를 가졌다가 사라졌을 수 있습니다. 우리는 우주 역사에서 토성이 아름다운 고리를 가진 특별한 시기에 살고 있는 행운을 누리고 있는데, 이 장엄한 구조는 영원하지 않으며 언젠가는 사라질 것이지만 그 아름다움은 인류의 기억과 기록 속에 영원히 남을 것입니다.