카시니 간극 토성서 벌어진 고리 생성 사건의 주범

태양계 행성 가운데 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 고리를 가지고 있는데요. 이중에서도 토성의 화려한 고리는 예부터 많은 사람들의 호기심을 자극했죠.



특히 이탈리아의 천문학자인 갈릴레오 갈릴레이는 직접 망원경을 만들어 1610년 처음으로 토성 고리를 관찰하게 되고 1676년에는 이탈리아계 프랑스의 천문학자인 장 도미니크 카시니가 토성의 고리가 두 부분으로 나뉘어져 있다는 사실을 발견하는 놀라운 성과를 이루게 되죠. 그리고 이때부터 토성의 고리와 고리 사이의 간격을 ‘카시니 간극(틈)’이라 부르게 됩니다.



이후 영국의 물리학자 제임스 맥스웰이 수많은 알갱이들이 토성 주변을 돌며 고리처럼 보이는 것이라는 주장을 내놓게 되고 맥스웰의 이런 주장은 훗날 여러 관측을 통해 사실로 증명 되었죠. 


그리고 100년이 훌쩍 지난 후 신비의 토성을 탐사하기 위해 1997년 10월 15일 토성 궤도선인 카시니호가 발사가 되었고 2004년 12월 25일 타이탄 탐사선 하위헌스호가 토성의 가장 큰 위성인 타이탄 탐사를 위해 발사 되었습니다. 



여러 탐사선에 의해 밝혀진 토성의 고리는 처음에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하게 구성돼 있었습니다. 과학자들은 처음에는 세개의 고리를 확인하고 A,B,C의 고리로 이름붙였지만, 보이저 1호가 토성을 근접 촬영하면서 이 큰 고리가 수천 개의 더 얇은 고리로 이뤄졌다는 사실이 드러나게 되었죠.


그중 일부 고리는 상대적으로 더 검은 색을 띠고 있었는데, 이는 고리가 더 검거나 더 작은 입자로 구성됐거나, 또는 입자들이 덜 밀집된 상태라는 것을 의미하기도 했습니다. 그리고 어떤 장소에는 사실상 고리가 전혀없는 틈새도 있었죠. 가장 유명한 것은 너비가 4천700kml에 이르는데요. 바로 A링과 B링 사이에 크게 비어있는 카시니 간극입니다.



카시니 간극은 쉽게 말해 완전히 비어 있는 공간이라고 생각하면 되는데요. 매우 적은양의 얼음 알갱이가 존재하는 밀도가 낮은 고리 영역이라고 할 수 있습니다. 특히 카시니 간극을 확대해 보면 위와 같이 아주 가는 고리들이 여타 고리들과 같이 정연하게 배열되어 있는 모습을 확인할수 있는데요. 그 이유는 토성의 주변을 떠돌고 있는 63개의 위성 중 제1위성인 미마스의 영향력 때문입니다.



미마스는 토성 가장 안쪽을 도는 위성인데 공전 주기에 따라서 가끔 미마스는 토성 고리쪽으로까지 그 위치를 바꾸게 되는데요. 이때 미마스는 정확히 카시니 간극 사이에 위치하게 되며 미마스의 중력에 이끌린 카시니 간극의 얼음 알갱이들은 주변 공간으로 흩어져 버리고 결국 카시니 간극은 밀도가 낮은 비어있는 공간이 되는 것이죠.



그렇다면 카시니 간극과 달리 토성의 고리는 어떻게 생겨났을까요?


지금까지 토성의 고리가 작은 알갱이들로 구성됐다는 사실은 밝혀졌지만, 이 알갱이들이 어떻게 생겨난 것인지는 아직 밝혀지지 않았죠. 그래서 과학자들은 토성 고리의 생성 과정에 대해 여러 가설을 세웠는데요.



그중 첫 번째 가설은 토성이 만들어지고 남은 부스러기가 고리로 형성되었다는 것이었죠. 즉 태양계가 처음 생성될 때 태양 주변에 얼음을 포함한 우주 먼지가 존재했고, 이것들이 뭉쳐져 각각의 태양계 행성이 탄생하면서 행성이 만들어지고 남은 일부 우주먼지가 행성이 끄는 힘에 의해 행성 주변으로 몰리며 고리가 만들어졌다는 가설이었씁니다.



두 번째 가설은 혜성이나 소행성이 토성 근처에서 파괴되면서 그 조각들이 고리가 됐다는 것인데요. 토성과 같은 거대한 행성이 잡아끄는 힘을 버티지 못하고 그 행성의 궤도로 빨려 들어가 빙빙 돌며 고리를 만들었다는 주장이었습니다.


그런데 최근 이 가설을 뒷받침해주는 놀라운 사실이 하나 발견 되었죠. 토성 탐사선 카시니호를 비롯해 목성 탐사선 갈릴레오호, 명왕성 탐사선 뉴호라이즌스호가 보내준 정보들을 분석한 결과 목성은 물론 토성에서도 특이한 형태의 파동 무늬가 발견된 것입니다.



위 사진은 토성 고리에서 발생된 웨이브(물결)형태의 파동 무늬인데 고리 측면에서 찍은 사진이라 그 형태를 분명히 가늠할수는 없었죠. 하지만 고리 정면 사진을 보면 뭔가 뚜렷하게 보이기 시작합니다. 잔잔하고 고요하던 토성 고리에 무엇인가가 통과하며 흩뜨려 놓눈 것을 말이죠.


사실 이 놀라운 장면은 갈릴레오호가 최초로 찍어 전송하게 되었지만 영상이 너무 흐릿해 이것이 파동 무늬라는 사실을 알아채지 못했었죠. 하지만 비교적 신형 탐사선에 속했던 카시니호가 보낸 수천장의 사진을 미국 콜로라도 주립대 연구팀이 분석한 결과 이 파동 무늬이 주범이 다름아닌 혜성이라는 것을 알게 된 것입니다.



즉 혜성 충돌로 인한 충격 때문에 토성의 고리가 기울리게 되고 그 과정에서 고리 물질들이 나선형을 이루는 궤적으로 빠져나오며 토성의 중력으로 인해 뒤틀렸다는 결과가 나온 것이죠. 또한 혜성으로 인해 어질러지고 뒤틀린 토성의 고리는 시간이 점점 지날수록 폭이 좁아지고 잠잠해질테지만, 그전까지는 최소 수백년의 시간이 필요하다고 하죠.



마지막으로 세 번째 가설은 카시니 간극과 부합되는데요. 토성이 자신의 주변을 돌던 위성을 흡수하며 생긴 흔적이라는 주장입니다. 토성이 강력하게 당기는 힘에 의해 위성이 토성 쪽으로 끌려 들어가며 위성의 표면을 덮고 있던 얼음층이 벗겨졌다는 것이죠.



즉 위성의 알맹이는 토성으로 빨려 들어가 흡수되고, 벗겨진 얼음층만 토성 궤도에 남아 고리가 됐다는 주장입니다. 그리고 이 세 가지 가설 가운데서도 가장 힘을 얻는 가설은 토성이 위성을 흡수하며 남은 얼음 부스러기가 모여 고리가 됐다는 가설이죠.



그러나 아직 과학적으로 명확하게 증명되지 않아 토성 고리의 비밀을 밝히기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 하죠. 다만, 두 번째 가설의 혜성의 발견이나 세 번째 가설의 카시니 간극을 형성하는 미마스 위성의 존재를 생각하면 둘 다 토성 고리 사건의 주범이 아닐까 싶습니다.

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