밤하늘의 보석같은 너! "토성"
밤하늘의 보석같은 너! "토성"
  • 강선아 기자
  • 승인 2019.07.16 15:25
  • 댓글 0
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스페이스타임즈에서는 다양한 방법으로 천문대나 과학관, 혹은 교육봉사활동들을 통해서
천체망원경을 갖고나가 시민들에게 하늘을 보여드릴 기회가 많은데요,
토성을 망원경으로 보여드리면 하나같이 감탄을 쏟아 냅니다.

[위례중앙공원에서 진행했던 게릴라공개관측회]
[위례중앙공원에서 진행했던 게릴라공개관측회]

커다란 망원경으로 볼수록 그 감탄의 소리는 커져갑니다.
대체적으로 별은 점으로, 행성은 작은 공처럼 보이는 것이 다인 우리 하늘에서
평범함을 거부하는 행성이 바로 토성입니다
행성을 둘러싼 넓은 고리는 넓다랗게 영역표시를 확실하게 하며 존재감을 내세우고 있습니다. 은은한 노랑색과 황토색의 행성은 하얀 원반을 둘러매고 까딱까딱 고개를 흔들면서 우리에게 아름다운 모습을 보여주고 있죠.

[토성의 모습 (image credit JPL-NASA)]
[토성의 모습 (image credit JPL-NASA)]
[패션브랜드 로고의 모티브가 된 토성(image credit VivienneWestwood)]
[패션브랜드 로고의 모티브가 된 토성(image credit VivienneWestwood)]


오늘의 우리는 아래쪽에서 올려다보는 형태의 토성을 볼 수 있습니다.
작은 쌍안경이나 망원경으로도 쉽게 토성의 특징적인 고리의 모양을 볼 수 있기 때문에 사람들을 더욱더 토성을 좋아하는가 봅니다.
아직은 미처 어두워지지 않은 저녁 7시반쯤의 동남쪽 하늘에서 서서히 떠오르는 토성은 하늘이 완전히 어두워져야 그 모습을 쉽게 볼 수 있습니다.
하지만 걱정마세요. 우리에게는 목성이 있습니다. 토성보다 확연하게 밝은 목성이 토성의 앞에서 길잡이가 되어서 토성을 만날 수 있게 도와줄거에요~ 
목성을 지나 은하수를 건너면 드디어
토성이 보입니다.

[밤하늘에서 토성과 목성(image credit The SkyX)]
[밤하늘에서 토성과 목성(image credit The SkyX)]

제법 하늘이 어두워지는 10시(이미지는 7월 15일 밤 10시) 위의 그림처럼 오른쪽(서쪽)에는 목성이 왼쪽(동쪽)에는 토성이 위치하고 그사이를 우리은하의 중심이 지나가는 모습을 확인할 수 있습니다.
다만도시는 이런 하늘을 보기에는 어렵겠지요?ㅠ.ㅠ

[1m카메라 접안부에 핸드폰을 대고 찍은 토성 (화천조경철천문대/에스엘랩)]
[1m카메라 접안부에 핸드폰을 대고 찍은 토성 (화천조경철천문대/에스엘랩)]

위의 두사진은 1미터 망원경에 핸드폰을 대고 찍은 토성입니다. 눈으로 볼때만큼 뚜렷하게 나오지는 않더라구요. 밝게 찍을려면 테두리가 흐릿하고, 전체적으로 잘나오게 찍으려면 어두컴컴하게 찍히는 것이 맘처럼 쉽지는 않습니다. 하지만 눈을 대고 본다면 계속해서 보고 싶은 모습이기도 하지요.

고리의 면적을 확인 할 수 있는 지금이 절호의 기회!! 올 여름에는 맑은날 토성을 보러 가봅시다!!

토성의 하이라이트는 뭐니뭐니해도 바로 아름다운 고리죠?!!
토성의 고리는 토성의 적도 주변에 위치하고 있으며, 수많은 암석이나 얼음 덩어리의 집합체인 것으로 알려져 있죠. 토성의 고리는 얼핏 하나의 고리로 보이지만, 실제로는 여러 개의 고리로 나뉘어져 있습니다. 이들 고리 사이사이에 간극이라 불리는 틈이 존재하여 토성의 고리를 여러 개로 나누고 있지요. 이 고리와 간극은 여러 개가 알려졌지만, 우리가 가진 망원경을 통해서 토성을 볼 때는 카시니 간극이라 불리는 고리의 가장 큰 간극 정도만 확인이 가능합니다.

[토성의 다양한 고리들, 가장가운데 두꺼운 검은부분이 카시니간극 ( Image Credit NASA)]
[토성의 다양한 고리들, 가장가운데 두꺼운 검은부분이 카시니간극 ( Image Credit NASA)]

이 카시니 간극은 고리의 면적이 가장 많이 보이는 양 끝부분에서 찾을 수 있는데, 카시니 간극의 안쪽에 있는 고리를 B고리, 바깥쪽에 있는 고리를 A고리라고 합니다. A고리는 B고리에 비해 어두워서 A고리의 바깥쪽은 눈에 잘 보이지 않습니다. 그 결과 A고리는 그 폭이 매우 좁게 보이죠. 따라서 카시니 간극을 찾을 때에는 고리의 중앙부에서 찾지 말고 고리의 가장자리에서 찾아야 합니다. 사진이나 화보에 실린 토성의 모습에서는 카시니 간극이 고리의 중앙부에 위치하지만, 일반적으로 관측용으로 사용하는 망원경으로는 토성 고리의 바깥쪽 반을 다 보기는 어렵습니다.

토성은 태양계에서 2번째로 가장 큰 행성으로, 지구보다 95배 무겁고 764배 큽니다.
토성은 이렇게나 크기 때문에 위성이 아주 많습니다. 2019 7월 기준으로 궤도가 밝혀진 위성만 62개나 됩니다. 이 중에는 지름이 수 km 밖에 안 되는 작은 위성도 있지만 행성인 수성보다도 큰 타이탄이라는 위성도 있습니다. 고리와 위성을 비롯한 토성의 가족은 너무나 다채롭기 때문에 토성계를 작은 태양계라 부르기도 합니다.

오늘은 이러한 토성의 위성에 관해 알아보도록 하겠습니다.

 

"저것은 위성이 아니야. 저것은 우주 요새다!"

첫번째로 알아볼 위성은 미마스(Mimas)테티스(Tethys)입니다.

 

토성의 영어 이름인 Saturn이 로마 신화에서 신의 왕, 유피테르(그리스신화의 제우스)의 아버지이자 카일루스(우라누스)의 아들인 사투르누스(크로노스)에서 유래했기 때문에 토성의 위성의 이름은 사투르누스의 형제들로 짓습니다. 미마스와 테티스도 사투르누스의 형제입니다.

 

하지만 요즘 사람들이 미마스와 테티스를 보고 떠올리는 것은 2000년 전 유럽의 신화가 아니라, 미국의 공상과학 영화 시리즈 스타워즈(Star Wars)인 것 알고 계셨나요? 아래 사진을 잘 보세요.

[미마스와 테티스(Image Credit: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Space Science Institute)]
[미마스와 테티스(Image Credit: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Space Science Institute)]
[스타워즈에 나오는 데스스타(Source: https://www.starwars.com/databank/death-star)]
[스타워즈에 나오는 데스스타(Source: https://www.starwars.com/databank/death-star)]

 

스타워즈 팬이라면 바로 알아보겠지만 작중 등장하는 은하제국(Galactic Empire)의 거대 전투용 인공위성 데스스타(Death Star)와 쏙 빼 닮았습니다.

 

데스스타에 난 구덩이는 행성을 파괴하는 레이저 무기이지만, 미마스와 테티스에 난 구덩이는 운석 분화구(crater)입니다. 미마스와 테티스의 거대한 화구는 각각 허셜(Herschel) 화구와 오디세우스(Odysseus) 화구라고 부릅니다. 허셜 화구와 오디세우스 화구는 각각 지름이 130 km와 450 km로 미마스(지름 200 km)와 테티스(지름 1100km)와 비교했을 때 아주 큽니다. 둘다 거대한 운석이 충돌해서 생겼는데, 미마스에는 허셜 화구 반대편에 충격파 때문에 생긴 골짜기가 있고 테티스의 오디세우스 화구는 태양계에서 13번째로 가장 큰 운석 분화구일 정도로 큰 편입니다.

 

지구에만 물이 있는 줄 알았지?

두번째로 알아볼 위성은 엔셀라두스(Enceladus)입니다.

엔셀라두스의 지름은 510 km로 서울과 제주도 사이의 거리와 비슷합니다. 차로 하루 안에 일주할 수 있을 정도로 작죠. 그런데 이 자그마한 엔셀라두스에 바다가 있을 뿐 아니라, 남극 근처 100개 이상의 얼음화산(Cryovolcano)에서 소금물이 뿜어져 나오고 있다는 점 알고 계셨나요?

[엔셀라두스의 모습 (imageCredit: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Space Science Institute)]
[엔셀라두스의 모습 (imageCredit: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Space Science Institute)]

지구의 화산에서는 규산염 암석이 녹아서 생긴 용암이 흘러나옵니다.(정확히는 암석이 녹아서 생긴 혼합물을 마그마(magma)라 하며, 마그마에서 기체 성분이 빠져나와 생긴 액체를 용암(lava)이라 합니다)
하지만 놀랍게도 표면이 새하얀 얼음으로 덮인 엔셀라두스의 화산에서는 얼음이 녹아서 생긴 물이 흘러나옵니다.

그런데 엔셀라두스의 표면온도는 198 °C밖에 안 됩니다. 겨울철 강원도보다 170 °C나 더 낮죠.

이렇게나 추운 곳에서 어떻게 얼음이 녹아 물이 생길 수 있을까요? 엔셀라두스의 지질 활동을 일으키는 원동력은 무엇일까요?

이는 바로 조석 가열(tidal heating)입니다.
(사실 조석 가열에 의한 열은 엔셀라두스의 얼음을 녹이기에 불충분하기 때문에 과학자들은 엔셀라두스를 가열하는 다른 요인이 더 있을 거라 믿습니다. 가능한 다른 요인에는 방사성 원소 붕괴열, 지하에서 일어나는 발열 화학 반응, 과거에는 엔셀라두스가 더욱 찌그러진 타원 궤도를 가졌을 수도 있다는 점 등이 있습니다.)
엔셀라두스에서 토성에 가까운 쪽이 더 큰 중력을 받고 먼 쪽이 더 작은 중력을 받기 때문에 토성은 엔셀라두스를 앞뒤로 잡아당기는데, 이 때 엔셀라두스가 받는 힘을 조석력(tidal force)이라 합니다.

 

이 조석력은 엔셀라두스가 토성에 가까울수록 커집니다. 그런데 엔셀라두스는 찌그러진 타원 궤도를 따라 공전하기 때문에 엔셀라두스와 토성 사이의 거리는 짧게는 23만 7000 km에서 길게는 23만 9000 km까지 바뀝니다.

엔셀라두스와 토성 사이의 거리가 일정하지 않기 때문에 엔셀라두스는 토성에게 잡아 당겨졌다가 놓이며 반죽 당합니다. 이 때문에 얼음으로 된 엔셀라두스의 내부가 녹아서 얼음화산을 만드는 것이죠. 이 얼음화산에서 나오는 알갱이는 토성의 E 고리의 원료가 됩니다.

 

[토성의 위성 카시니의 이미지(Credit: David Robinson / Bambam131.com)]
[토성의 위성 카시니의 이미지(Credit: David Robinson / Bambam131.com)]

2008 3 12일과 2015 10 28, 미 항공우주국(NASA)의 토성 탐사선 카시니 호는 엔셀라두스의 얼음화산에서 뿜어져 나오는 구름을 각각 상공 50 km 30 km에서 직접 통과했습니다. 카시니 호의 관측 결과 엔셀라두스의 바다에는 지구의 바다와 비슷한 소금, 모래, 암모니아, 유기화합물(메테인, 프로페인, 아세틸렌, 폼알데하이드 등)이 발견됐습니다. 따라서 과학자들은 엔셀라두스의 해저 열수 분출공(hydrothermal vent)에 생물체가 있을지도 모른다고 생각하고 있습니다

[엔셀라두스의 수 km 두께의 얼음 지각 아래에는 마리아나 해구보다 6배나 깊은 바다와 생명의 터전이 될 수 있는 열수 분출공이 숨겨져 있습니다.(Image Credit: NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute)]
[엔셀라두스의 수 km 두께의 얼음 지각 아래에는 마리아나 해구보다 6배나 깊은 바다와 생명의 터전이 될 수 있는 열수 분출공이 숨겨져 있습니다.(Image Credit: NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute)]

 

 

하늘에서 액화천연가스(LNG)가 내리는 위성

마지막으로 알아볼 위성은 타이탄(Titan)입니다.

타이탄은 지름이 5100 km나 되는 거대한 위성입니다. 토성의 위성 중에는 가장 크고, 태양계에서는 목성의 위성 가니메데 (지름 5300 km) 다음으로 크며, 심지어 태양계에서 가장 작은 행성인 수성(지름 4900 km)보다도 큽니다. 다만 금속 함량이 높은 수성과 달리 얼음 함량이 높아서 질량은 수성의 40%밖에 안 됩니다.

[타이탄의 모습 ( Image Credit: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Space Science Institute)]
[타이탄의 모습 ( Image Credit: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Space Science Institute)]

타이탄은 태양계 위성 중 유일하게 두꺼운 대기를 갖고 있습니다. 타이탄 표면의 대기압은 1.5기압으로 지구 표면에서보다 높은데요. 이 중 94%는 질소, 5.7%는 메테인, 0.099%는 수소로 돼있습니다.

[타이탄의 대기 상상도(Credit: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Space Science Institute)]
[타이탄의 대기 상상도(Credit: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Space Science Institute)]

타이탄의 대기는 지구와 비슷하게 대류권(troposphere), 성층권(stratosphere), 중간권(mesosphere), 열권(thermosphere)로 나눠 있습니다. 다만 타이탄의 중력이 지구보다 약하기 때문에 각 층의 두께는 타이탄 쪽이 더 두껍습니다. 대류권에서는 메테인이 순환하며 비와 구름 등 기상 현상을 일으키고, 성층권에서는 메테인과 에테인이 태양에서 오는 자외선을 흡수하여 톨린(tholin)으로 된 주황색 안개를 만듭니다.

[타이탄의 대기 (Image Credit: ESA/NASA/JPL/University of Arizona)]
[타이탄의 대기 (Image Credit: ESA/NASA/JPL/University of Arizona)]

유럽 우주국(ESA)의 탐사선 호이겐스호는 2004년 12월 25일에 NASA의 카시니 호에서 분리되어 2005년 1월 14일 타이탄의 표면에 착륙했습니다. (지구의 달을 제외한) 위성에 최초로 착륙한 것이죠. 호이겐스 호는 말라붙은 강바닥과 흘러서 풍화 당한 듯 동그랗게 생긴 자갈을 발견했고, 이후 카시니 호는 타이탄 표면에서 메탄 호수를 발견합니다. 지구를 제외한 천체 중에는 최초로 표면에 액체가 발견된 거죠.

지구의 표면에서는 물이 고체, 액체, 기체 상태 사이에서 변화하며 비, 구름, 강, 호수를 만들지만 타이탄에서는 메테인이 물을 대신하여 기상 현상을 일으키는 거랍니다

(카시니 호가 레이더로 촬영한 타이탄 북극 근처의 호수들. 시간이 지남에 따라 경계가 변화하는 모습도 포착됐다고 합니다. (Image Credit: NASA / JPL-Caltech / Agenzia Spaziale Italiana / USGS)]
카시니 호가 레이더로 촬영한 타이탄 북극 근처의 호수들. 시간이 지남에 따라 경계가 변화하는 모습도 포착됐다고 합니다. (Image Credit: NASA / JPL-Caltech / Agenzia Spaziale Italiana / USGS)]

밤하늘의 토성은.....

만약 우주를 사랑하는 사람들에게 ‘왜 우주를 사랑하게 되었냐’고 묻는다면 토성 때문이라고 답하는 사람이 많을 것입니다. 망원경으로 본 토성은 정말 아름답거든요. 점처럼 보이는 별들 사이에 귀가 달린 동그라미 같이 생긴 토성이 빛나는 모습을 보면 매혹될 수 밖에 없습니다.
사실 목성,천왕성,해왕성도 고리는 있지만 토성처럼 뚜렷하게 보이진 않기때문에 보이저호가 다가가기 전까진 그 존재를 잘 몰랐었습니다. 그러다보니 밤하늘에서 귀가달린 이 행성은 종종 불길한 징조가 되기도 했죠.
하지만 우리는 망원경을 통해 그 아름다운 고리를 볼 수 있습니다. 허블처럼 뚜렷이 보이진 않겠지만 망원경을 통해 토성의 위성을 찾아보는 재미도 가져보세요.

[허블우주망원경이 촬영한 토성과 5개 위성. 아쉽게도 토성의 위성 중 가장 밝은 타이탄도 10등급 정도밖에 안 되기 때문에 토성의 위성은 목성의 위성만큼 망원경으로 잘 보이지는 않습니다. (Image Credit: NASA, ESA, A. Simon (GSFC) and the OPAL Team, and J. DePasquale (STScI))]
[허블우주망원경이 촬영한 토성과 5개 위성. 아쉽게도 토성의 위성 중 가장 밝은 타이탄도 10등급 정도밖에 안 되기 때문에 토성의 위성은 목성의 위성만큼 망원경으로 잘 보이지는 않습니다. (Image Credit: NASA, ESA, A. Simon (GSFC) and the OPAL Team, and J. DePasquale (STScI))]

 



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