카시니 촬영...놀라운 토성의 고리

반지의 제왕 토성의 반지(ring)에는 무엇이 있을까?

미항공우주국(NASA·나사)이 유럽우주국(ESA)과 함께 토성의 비밀을 캐기 위해 쏘아올린 카시니 위성은 그간 여러가지 토성의 모습을 지구로 보내왔다.

토성의 고리는 독립적인 궤도상에 있는 수십억개의 파편으로 이뤄졌다. 토성의 고리는 목성의 고리에 비해 매우 밝으며 광범위한데 밝은 색 고리는 입자는 파편이 얼음들로 되어 있다. 이 입자들은 먼지크기인 목성고리의 암석티끌보다 훨씬 더 커서 모래알갱이 크기에서부터 수킬로미터에 이르기까지 매우 다양하다. 토성의 고리는 처음에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하게 구성돼 있다. 과학자들은 처음에는 세개의 고리를 확인하고 A,B,C의 고리로 이름붙였다. 그러나 보이저 1호가 토성을 근접 촬영하면서 이 큰 고리가 수천 개의 더 얇은 고리로 이뤄졌다는 사실이 드러났다. 일부 고리는 상대적으로 더 검은 색을 띠고 있다. 이는 고리가 더 검거나 더 작은 입자로 구성됐거나, 또는 입자들이 덜 밀집된 상태라는 것을 의미한다. 어떤 장소에는 사실상 고리가 전혀없는 틈새가 있다. 가장 유명한 것은 너비가 4천700kml에 이르는 카시니 간극이다. 토성의 주변에서는 지금까지 최소한 34개이상의 달이 발견됐다.

카시니 위성이 촬영해 온 위성사진을 나사 아카이브에서 찾아 봤다.

카시니호는 1997년 10월 발사된 후 7년 만에 35억㎞에 이르는 여정 끝에 지난 2004년 7월1일 토성 궤도에 진입했다.

토성은 지구질량의 95.2배에 달하며 토성 적도의 지름은 지구 지름의 9.5배인 12만 536km에 이른다. 평균 표면온도는 영하 80도로 대기는 수소헬륨으로 구성돼 있다. 자전주기는 10.23시간, 궤도주기는 26.5년이다. 위성은 34개이상이며 가장 큰 위성은 지름이 5천150km나 되는 타이탄이다.

카시니호이겐스호의 토성탐사는 나사와 유럽우주국, 이태리 우주국이 공조하는 토성탐사 프로젝트다.

■거인의 어깨에서 금성을 바라보다

거인토성의 어깨에서 금성을 본 모습이 포착됐다. 카시니 위성은 구름속에 빛나는 밝은 행성 금성을 발견했다. 토성과 금성 간의 엄청난 거리는 금성을 하나의 조그만 점으로 보이게 한다. 금성은 태양계에서 수성,지구,화성과 함께 암석으로 이뤄진 행성이며 상대적으로 태양에 가까이 돌고 있다. 금성은 섭씨 500도나 되는 이산화탄소 대기를 갖고 있으며, 대기압이 지구의 100배에 달하지만 지구와 비슷한 크기를 가지고 있어 지구의 쌍둥이 행성으로도 불린다. 금성은 강한 황산 구름으로 덮여있어 반짝이는 모습으로 보인다. 지난 해 11월 10일 촬영됐다.

■토성 고리에서 발견된 두 개의 셰퍼드달

근처의 고리 물질이 흡인력 효과가 아주 다르긴 하지만 프로메테우스와 판 두 개의 위성은 모두가 근처 고리의 뒤로 몸을 숨기는 셰퍼드달(Shephard moons)이다.오른쪽에 있는 작은 위성 판(Pann)은 지름이 약 28km짜리인 위성이다. 사진 왼쪽의 프로메테우스는 F링 형성을 돕고 있으며 지름이 약 86km에 이른다. 이 모습은 고리판 아래 47도 기울어져있는 쪽에서 본 사진이다. 이 사진은 카시니 위성이 지난 5월 27일 촬영한 것이다. 약 140만km 떨어진 거리에서 촬영됐다.

■토성의 고리와 파도

토성의 A링이 수많은 파도로 장식돼 있음을 보여주는 사진이다. 이 사진은 카시니가 포착한 밀도높은 파도, 굽혀지는 파도(위오른쪽 구석), 그리고 토성의 작은 달 대프니스에 의해 발생하는 킬러(Keeler)갭 가장자리에 있는 파도다.

■하늘을 가르는 거대한 호

카시니 위성의 이 사진에서 보면 토성의 고리는 이 행성에 엄청난 호를 그리며 생성돼 있다. 카시니호가 토성에서 지난 6월15일 촬영한 사진이다. 이 모습은 토성의 고리가 태양이 빛나는 쪽으로 17도 기울어져 있는 모습이다. 약 110만 킬로미터의 거리에서 촬영됐다.

■토성의 A링에서 발견된 이어하트

카시니 과학자들은 이 A링에서 새로 발견된 프로펠러로 알려진 특징을 이해하기 위한 연구를 계속하고 있다. 이 사진에서 과학자들이 이어하트(Earhart)로 부르는 프로펠러(왼쪽 아래의 이미지)가 얻어졌다. 과학자들은 이 특징을 만들어 내는 원인이 무엇인지를 알아내길 기대하고 있다. 이 프로펠러는 눈으로 보기에는 아주 작지만 전형적인 토성고리의 입자보다는 크며 시간이 갈수록 고리 주변으로 움직인다. 이 특징이 토성의 형성과 태양계주변을 도는 행성형성의 원인을 알려줄 것으로 여겨지고 있다. 지난 5월 11일 토성에서 약 40만km 떨어진 곳에서 가시광카메라로 촬영됐다.

■놀라운 미니젯

태양이 토성주변을 돌 때 중력흡인력은 때때로 토성F링 얼음입자 채널들을 갈라 놓는다. 때로는 직접적으로 눈덩이를 끈끈하게 해 달라붙게 만들기도 한다. 토성 주변을 지속적으로 도는 달은 시간이 지날수록 눈덩이를 잡아 당겨서 쪼개 놓고 이를 다른 물질에 덧붙인다. 이런 궤적은 스스로 F링을 치고 들어가는 살아서 진화하는 눈덩이의 명백한 증거처럼 보인다. 과학자들은 카시니에서 촬영된 이미지들을 이용해 물체를 추적했다. 그 결과 이들이 F링에서 서로 다른 궤도를 가지고 있다는 사실을 알아냈다. 이들은 초속 2미터의 일반적인 속도에서 충돌하기도 한다. F링은 토성 주요고리가운데서도 외곽에 위치하고 있으며 지름이 14만220km나 된다.

■이국적인 미니제트의 궤적

이 아름다운 미니제트(mini-jet)는 가장 역동적인 F링에서 나타난다. 이 미니제트들은 F링 내부의 저속충돌에 의해 발생되는 것으로 여겨지고 있다. F링은 링의 중심에서 먼지물질을 배출한다. 아래 4장의 사진은 토성의 F링에서 발견되는 야단스런 미니제트의 모습들이다. 과학자들은 지난 2004년부터 2011년까지 지름 1km가 되는 미니제트 물체들을 촬영했다.

과학자들은 유사한 2만여장의 사진 가운데에서 이런 궤적을 500장 이상 찾아냈다. 때때로 이 궤적은 동떨어져 있는 것처럼 보인다. 하지만 이들은 그룹으로 나타나 작살의 미늘같은 모양을 형성하기도 한다. 맨 위 왼쪽사진에서 보이는 이상한 모습은 하나의 물체가 F링의 코어를 지나면서 다양한 깎인 형태의 궤적을 남기면서 발생하는 것으로 보인다. 이 검은 띠는 물체가 휩쓸고 지나간 물질에 의해 발생하는 것으로 여겨진다. 사진 아래 왼쪽은 F링 주변 띠로부터 깎인 듯한 수많은 궤적들을 보여준다. 아래 오른쪽 미미지는 물체가 F링을 뚫고 나오면서 생긴 궤적을 보여주는 것으로 보인다.

과학자들은 이들 궤적을 미니제트로도 부른다. 통상 길이가 40~180km에 이른다. 과학자들은 이 궤적이 지름 1km의 작은 물체가 F링을 뚫고 들어가 그 뒤에 있는 얼음고리 입자들을 끌어오면서 만들어진다고 생각하고 있다. 이 궤적들을 만들어 내는 물체는 원래 작은 F링 입자들 위에 있는 토성의 달 프로메테우스가 끌어당기면서 형성된 것으로 보인다.

■토성 남반구의 겨울

토성의 남쪽 겨울, 또는 북쪽 여름으로 향하면서 토성 고리의 주변 그림자가 훨씬 더 남쪽으로 기울고 있다. 고리의 그림자는 토성 적도에서 옅은 선으로 보인다. 이 모습은 토성의 남위 22도 지역에 집중돼 있다.지난 7월 15일 촬영한 사진이다. 근적외선 의 파장에 민감한 스펙트럼필터를 사용해 찍었다. 이 모습은 토성으로부터 약 130만 km 밖에서 촬영된 것이다. 이미지 축적은 픽셀당 78km다.

■밤으로의 긴 여로

지난 5월 6일 촬영된 사진이다. 고리의 입자들의 궤도가 이들을 낮에서 밤으로 옮겨갔다. 이에 따라 토성 그림자가 고리를 날카롭게 잘라낸 듯하다. 빛을 뿌려줄 대기가 없으므로 우주의 그림자는 지구에서보다 훨씬 더 검고 어두워보인다. 이 모습은 고리판 아래로 47도 기울인 고리의 빛나지 않는 부분을 촬영한 것이다.

■조용히 움직이는 스포크

유령같은 토성의 B링 속 스포크(spokes)는 카시니위성을 위해 계속해서 쇼를 펼친다. 스포크는 계절적 현상으로 믿어지며 토성이 북반구 여름으로 가까이 가면서 사라질 것으로 예상됐다. 과학자들은 토성의 생성 원인과 진화에 대해 알기위해 계속해서 스포크를 연구하고 있다. 토성의 달 아틀라스도 보이지만 A링 가까이에서 희미하게 보일 뿐 A링과 F링 사이에서 거의 보이지 않고 있다. 아틀라스는 사진아래쪽에 더 가까이 있다. 이보다 더 밝은 별이 두 고리 사이에 나타나고 있다.

■오랫동안 힘들게 지켜보면서 촬영한 D링

토성의 D링은 희미하고 발견하기 쉽지 않다. 하지만 하지만 끈질기게 참고 기다리면 볼 수 있다.이 사진에서 카시니 위성은 밝고 어두운 밴드(사진위 오른쪽)를 보여주는 D링의 구조를 촬영할 수 있었다.밝은 고리, 즉 사진에서 아래왼쪽에 있는 것은 C링이다. 이 밴딩(banding)은 수직 워핑패턴에서 뚜렷하게 부각된다. 아직까지 미스터리로 남아있다. 이 사진에 보이는 수직의 흰선들은 별들의 궤적이다. D링은 너무 희미해서 이를 포착하기 위해 오랜 시간동안 카메라를 노출해야만 했다.

■운석들, 토성고리와 부딪치다

이 다섯장의 사진은 카시니위성이 지난 2009년부터 2012년까지 촬영한 토성의 고리로서 고리에 부딪친 작음 물질들의 충격으로 발생한 구름같은 물질들을 보여준다. 사진 맨 위 왼쪽부터 A링에 있는 구름, C링의 구름, B링의 구름을 보여준다. 화살들은 구름 구조를 보여준다. 분출된 물질들은 태양빛 각도가 토성을 비춰졌기 때문에 눈으로 볼 수 있었다.

■토성의 달, 잠행하다

두 개의 토성의 위성이 밤에 고리 근처를 지나고 있는 모습이 포착됐다. 미마스(Mimas)와 판도라(Pandora)가 함께 토성의 고리 주변을 도는 진귀한 모습을 연출했다. 판도라의 작은 크기는 스스로를 둥글게 만들 충분한 인력을 확보하지 못했음을 보여준다. 과학자들은 판도라위성의 약 81km 크기로 길게 늘어진 형태가 이 달과 다른 토성고리의 형성에 대한 비밀을 풀 열쇠를 제시해 줄 것으로 보고 있다. 지난 3월 14일 미마스에서 110만km떨어진 곳에서 촬영됐다.

■난장이가 된 웨이브메이커

토성의 파동을 만드는 대프니스 위성은 자신이 킬러갭 가장자리에 만들어 낸 파도들로 인해 작아졌다.대프니스는 가로가 8km 밖에 안된다. 작은 점으로보이는 대프니스는 고리 물질을 통과하면서 킬러 갭에 파도를 만들어 낸다. 또한 대프니스가 만나는 중력은 갭을 유지시켜 주고 토성 주변의 물질을 고리로 되돌려준다.

■토성의 달 형제들

토성의 작은 달 아틀라스, 프로메테우스, 에피메테우스가 토성의 밤을 촬영한 사진속에서 나란히 머물고 있다. 이 이름은 잘 붙인 것 같다. 실제로 그리스신화 속에서도 이들은 형제다. 프로메테우스는 지름 86km의 위성으로 사진속 F링 안에 존재한다. 반면 지름 113km인 에피메테우스는 이 들 고리에서 더 멀리 떨어져 있다. 지름 30km인 아틀라스는 A링과 F링 사이의 에피메테우스 바로 아래 존재하는데 매우 흐리다. 지난 해 12월 19일 촬영된 사진이다.

■토성의 샛별, 금성을 보다

토성의 새벽시간에 샛별 금성이 나타났다. 이 사진에서는 금성이 토성의 변두리를 마악 벗어나려 하고 있는 것처럼 보인다. 사진 윗부분에는 토성의 G링이 보이는데 고리를 구성하는 먼지가 퍼지면서 청색처럼 보인다. 금성은 수성,지구,화성과 함께 바위로 된 행성이다. 사진은 적색,녹색,청색 필터를 사용해 자연색을 만들어냈다. 지난 1월 4일 촬영됐다.

■토성의 보우 쇼크

이 그림은 카시니 위성이 토성의 마그네틱 환경을 탐사하는 모습을 보여준다. 이 이미지에서 토성의 자기장대는 회색으로 표시되고 있다. 반면 복잡한 보우쇼크(bow shock)지역을 보여준다. 태양풍에서 나오는 이 충격파가 토성에서는 청색으로 보인다. 카시니는 지난 2007년 2월 3일 보우쇼크를 지나가면서 이 강력한 쇼크를 촬영했다. 자기장과 충격파운동이 거의 평형을 이루는 모습이 발견됐다. 이 이미지는 실제 크기와 일치하지는 않는다.

■거인의 곁에 서다