내부 태양계의 따뜻한 세상 너머에, 가스(Gas) 거인인 목성 너머에, 태양 너머 얼어붙은 세상에 토성이 있습니다.
얼음으로 이루어진 30만 킬로미터의 폭을 가진 고리 덕분에 토성은 독특한 모습을 갖고 있습니다.
셀 수 없이 많은 얼음조각이 중력에 의해 고리를 이루어 태양계의 가장 놀라운 광경을 연출합니다.
토성은 태양계에서 가장 극적인 변화를 겪은 행성입니다.
이 행성은 파괴되었고, 또 생성되었습니다. 이 행성은 오랜 동안 자신의 모습을 숨겨왔습니다.
어쩌면 이 행성은 우리의 두번째 고향이 될지도 모릅니다.
단단한 표면이 없는 세상을 상상해 봅시다. 그저 끝없이 대기만이 펼쳐진
지구와 비교해서 토성은 매우 이질적입니다. 그래서 어떻게 같은 행성 물질들로부터 이런 행성이 생겨났는지를 이해하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 생성 당시의 상황으로 되돌아가본다면, 토성의 생성 과정은 놀랍도록 우리에게 친숙합니다.
토성은 바위와 얼음으로 이루어진 작은 세계로 시작되었습니다. 수성,금성,지구,화성과 마찬가지로 작은 바위와 얼음들이 서로 뭉치면서 덩치를 키워나갔습니다.
그러나, 다른 행성과 달리 우리가 눈의 선(Snow Line)이라 부르는 외곽 경계선을 형성합니다. 태양과 워낙 먼거리였기 때문에 물은 오직 얼어있는 고체 상태로만 존재했고, 이로 인해 셀 수 없이 많은 얼음 입자들은 마치 바위나 돌과 마찬가지로 행성을 만드는 재료와 같은 역할을 합니다.
중력의 영향으로 바위와 얼음들은 서로 충돌하고 섞이고 결합하면서, 어린 토성을 거대한 행성으로 만들어갑니다.
시간이 지나면서 토성은 근본적으로 다른 행성으로 변모해갑니다. 이 어린 행성이 만들어진 장소에는 바위와 얼음보다 훨씬 많은 양의 가스(Gas)가 존재했습니다. 토성은 이제 대기(Atmosphere)를 형성해가기 시작합니다. 그러나 그 스케일은 우리의 상상을 뛰어넘습니다.
지구의 대기를 우주공간에 바라보기 전까지는 얼마나 (그 두께가)얇은지 깨닫지 못합니다.
이 정도의 대기의 모습은 내부 태양계의 다른 행성에서도 비슷합니다.
비교적 얇은 이 대기도 그 아래의 지표면에 상당한 힘을 가합니다. 우리가 아는 대기압이라는 힘입니다.
예를 들어, 수백 미터 높이의 산에서 페트병을 열어 공기를 채우고, 산 아래로 내려오면 페트병이 쪼그라듭니다. 겨우 몇백 미터의 높이의 대기압으로도 병이 쪼그라드는데, 행성 자체가 온통 대기로 이루어져있다면 그 힘은 과연 어느 정도일까요?
수백만 년 동안, 바위와 얼음으로 커질대로 커진 토성은 이제 태양이 남기고 간 수소와 헬륨으로 덩치를 더 키우기 시작합니다. 내부 행성계의 작은 행성들에게는 너무나도 가벼운 기체들이지만, 이미 덩치가 커진 토성은 이런 기체들을 끌어모을 수 있는 충분한 중력을 가지고 있었습니다.
토성은 그 중력으로 어마어마한 양의 가스들을 모아서 덩치를 키워나가게 됩니다. 그리고 이렇게 끌어모은 대기는 토성의 표면을 변화시킵니다.
엄청난 양의 대기는 그 압력으로 기존 토성의 표면을 달궈서 열을 내게 하고 빛을 내게 합니다. 토성은 점점 기체를 끌어모으면서 커나가고, 결국에는 지구의 대기압의 천만배에 이르는 압력까지 올라갑니다. 이런 대기압하에서는 우리가 지구에서 상식처럼 생각하는 고체의 표면은 존재하지 않게 됩니다.
토성의 고체성 표면인 바위와 얼음은 분해되어 토성은 가스 행성으로 진화합니다.
이렇게 생긴 과거의 토성은 지구 5천개 정도를 삼킬 수 있는 크기가 됩니다. 하지만 이렇듯 광활하고 거친 초기의 토성은 현재와는 달랐습니다.
보이저 탐사선은 최초로 토성의 상세한 모습을 우리에게 전송했습니다. 보이저의 자료에 의해서 토성의 상층부 대기가 거의 수소와 헬륨으로 이루어졌다는 것을 확실히 알 수 있었습니다. 이 두 기체는 바로 초기 태양계에서 가장 풍부했던 바로 그것이었습니다.
지구에서 날씨를 변화시키는 에너지는 태양으로부터 옵니다. 태양이 지표면을 가열하면서 공기를 가열하고 가열된 공기의 대류를 통해 지구의 날씨는 변화합니다.
토성에서 받는 태양빛은 지구의 1/100 정도입니다. 이것은 토성의 기후가 다른 에너지원에 의해 변화한다는 것을 의미합니다.
토성 극지방의 상층부 구름과 거대한 폭풍을 통해서, 우리는 토성 대기 아래의 많은 것을 추론할 수 있습니다.
그리고 토성을 움직이는 에너지원이 무엇인지에 대해서도요.
대기권 상층부 아래에는 거대한 물의 구름들이 있습니다. 이 두꺼운 구름층에서는 지구에서보다 10000배 정도 강력한 번개가 발생합니다.
이 번개를 통해 메탄 가스는 거대한 그을음의 구름으로 변화합니다. 이 그을음은 낙하하면서 점점 더 압력을 받게 되고, 어느 한계를 지나면서 거대한 압력은 이 그을음 덩어리들을 결정화시키면서 다이아몬드로 변화시킵니다.
이 다이아몬드 조차 종국에는 토성의 거대한 압력에 굴복하여, 액체화 됩니다.
대기권 상층부에서 4만 킬로미터 못 미쳐서, 토성의 주요 에너지원이 드러납니다. 이 영역의 압력은 워낙 높아서 기체들은 액체금속처럼 움직입니다.
(높은 압력에)액화된 헬륨들은 엄청난 열을 방출하며 수소기체를 통과하게 됩니다.
우리(과학자들)는 이 열이 목성의 기후를 변화시키는 에너지원이라고 생각하고 있습니다.
생성 후 수억 년 간, 토성은 극적인 변화를 겪습니다. 비록 오늘날 우리가 알고 있는 토성과는 많이 다르지만, 초기 몇억 년 이후론 수십억 년 동안 (초기의 변화에 비해)크게 변화하지 않았습니다.
그러나, 그 거대한 크기로 인해 결국에는 한번 더 극적인 변화를 일으킵니다.
카시니(Cassini) 탐사선은 토성과 그 달들 그리고 토성의 고리를 가까이에서 탐사할 목적으로 발사되었습니다. 보이지 탐사선이 단 몇일 간만 토성을 지나쳤던 것과 달리 카시니는 토성의 궤도에 진입하여 수년 동안 토성을 탐사할 목적으로 만들어졌습니다.
35억 킬로미터의 여행끝에 카시니는 토성의 고리를 근접해서 관찰할 수 있었습니다.
카시니는 토성 고리위로 떨어지는 태양계의 먼지를 채집/분석하여 놀라운 사실을 알려주기도 했습니다.
토성의 고리가 수십억 년 전에 만들어진 채로 있어왔다면, 태양계의 먼지로 인해 검게되고, 어두워졌을 것입니다. 하지만 고리는 새로 만들어진 것처럼 선명하고 밝았습니다.
그리고 그 이유는 고리가 생긴지 얼마 안된 것이기 때문이었습니다. 토성 자체보다 고리는 45억년 가까이 어렸습니다.
토성 고리의 생성의 수수께끼는 여전히 연구 중인 테마입니다. 그리고 카시니가 수집한 증거들은 고리의 생성의 비밀이 토성이 아니라 그 위성인 토성의 달에 있다는 힌트를 주었습니다.
토성은 62개의 커다란 달들과 셀 수 없이 많은 작은 달들을 가지고 있으며, 여전히 발견되는 중입니다. 이는 마치 작은 태양계와 같습니다. 행성과 같은 크기의 위성인 타이탄(Titan)에서부터 비정형의 작은 바위덩어리에 이르기까지 크기와 모양에 있어서 다양한 형태를 가지고 있습니다.
마이마스(Mimas)는 데스스타(Death Star, 스타워즈에 나오는 제국군의 행성무기와 닮았다)라고도 불리는데, 거대한 운석구를 볼 수 있으며, 이는 오래전에 엄청난 충돌이 있었음을 보여줍니다. 거의 파괴될 뻔 했다고 보입니다.
이것은 라페투스(Lapetus)라는 달인데, 행성급의 크기로 직경이 1,500km에 달합니다. 그 표면을 보면 절반은 하얗고 절반은 어둡게 보입니다.
라페투스는 사진으로 보듯이 적도 부근을 빙둘러서 능선이 있습니다. 사진으로도 뚜렷이 구분이 될 정도이며, 이는 태양계에서 발견되는 것중 가장 높은 산악지형으로 정상의 해발은 20km에 이릅니다.
이 산악지형은 한때 토성의 고리처럼 라페투스의 고리로 되어 있던 것이 다시 지표면으로 떨어지면서 형성된 것으로 생각됩니다.
카시니는 많은 달들을 상세히 관찰하였습니다. 이 달들은 대부분 얼음으로 이루어져 있으며, 그 중 많은 수가 특이한 형태를 가지고 토성의 고리 안과 부근을 돌고 있습니다.
카시니의 탐사 결과, 토성의 달들과 고리의 성분은 대부분 정확히 같은 물질들도 이루어졌다는 것이 밝혀졌습니다. 토성의 고리와 달들은 밀접한 관계가 있다는 의미입니다.
카시니를 통해 토성과 달들의 운동을 정밀히 관찰한 결과 우리는 무엇인가 부족하다는 것을 알았습니다.
지구에서 공룡이 돌아다니고 있던 1억년 전, 토성에는 현재에는 없는 달이 하나 있다고 생각됩니다.
이 달은 직경 400km의 얼음으로 이루어져 있었습니다. 하지만 이 행성은 사라질 운명이었습니다. 토성의 거대한 중력에 저항하기에는 너무나 가까운 궤도였던 것입니다.
지구에서 파도를 일으키는 조석력(Tidal force)은 달이 지구에 미치는 중력의 차이에 의해 발생합니다(달에 가까운 지역의 바닷물은 끌어당기고, 더 먼곳은 덜 끌어당기는 중력작용의 차이). 마찬가지로 지구도 달에 더 거대한 중력의 영향을 주어 달에 조석력을 발생시킵니다(다만 달 표면에는 물이 없어서 밀물과 썰물과 같은 현상이 생기지 않음).
지구의 중력의 영향이 더 크고, 45억년 전에는 지구와 달 사이의 거리가 현재보다 17배나 가까웠기 때문에 달의 표면의 형상 자체에 지구의 중력이 영향을 주었습니다. 조석력을 통해 달의 표면의 바위가 융기하고 가라앉음으로 인해 산맥이 형성되었으며 현재 우리는 그 결과를 관측할 수 있습니다.
만일 45억년 전에 그보다 더 가까워져서 우리가 로슈 한계(Roche Limit)라 불리는 지점보다 더 가까워졌다면 달은 지구의 중력에 의해 찢어져서 파괴되었을 것입니다.
토성의 이름(Saturn)은 로마신 중 시간과 경작의 신으로, 고대 신화에 의하면 자식들에 의해서 죽을 운명을 피하기 위해 새로 태어난 아이들을 먹어버렸다는 이야기가 전해집니다(그리스 신화에서 우라노스를 거세한 크로노스Kronos이며, 로마신화에서는 Saturnus를 의미한다).
카시니의 관측결과로부터 우리는 토성이 이 신화의 내용과 비슷한 행동을 한 것을 알게 됩니다.
과학자들의 생각은 이렇습니다. 1억년 전에서 1천만년 전 사이에 얼음으로 이루어진 토성의 달 하나가 토성에 가까이 혹은 로슈 한계선 내로 접근합니다.
토성의 강력한 중력은 이 달에 작용하여 달을 찢어버리기 시작합니다. 토성은 그 자식을 삼켜버립니다.
15,000조(15,000x10^12, 혹은 15경) 톤에 이르는 얼음들이 토성의 궤도에 흩뿌려 졌습니다. 얼음의 입자들은 빠른 속도로 궤도로 퍼져서 궤도운동을 합니다.
토성의 특징인 고리가 탄생했습니다. 토성의 중력으로 인해 고리는 거의 완벽한 원형의 형상을 이루고, 고리내부의 바위들은 서로 충돌하면서 점점 납작해집니다. 현재 이 파편들로 이루어진 고리의 지름은 목성의 직경보다 크고, 두께는 평균 10미터 정도입니다. 이런 오랜 과정을 거쳐 토성은 태양계의 보석이 되었습니다.
카시니로 인해 태양계와 토성의 진화에 대해 깊은 지식을 얻을 수 있었습니다. 하지만 카시니의 임무는 아직 끝나지 않았습니다.
토성의 고리 바로 위에서 다른 보물이 발견되었기 때문입니다. 여기에는 우리의 가장 근원적인 질문인 태양계에서의 생명의 가능성과 그 너머에 대한 해답이 있을지 모릅니다.
태양에서 수십조 킬로미터 떨어져, 토성의 고리의 외곽에 엔셀라두스(Enceladus)가 있습니다.
엔셀라두스는 아주 작은 달로, 아이스란드(Iceland)의 크기와 비슷합니다(영화 인터스텔라에 나온 촬영지가 아이스란드로 그 영화에 나온 곳과 비슷하다)
1980년 보이저 1호가 엔셀라두스에 접근했을 때, 우리는 엔셀라두스의 표면에서 작은 방울같은 것을 관찰할 수 있었습니다. 이는 엔셀라두스의 표면에서 무엇인가가 뿜어져나오는 걸로 예측할 수 있습니다. 24년 뒤 카시니가 다시 엔셀라두스에 도착해서 보내온 사진은 놀라웠습니다.
그것은 거대한 수중기 기둥과 얼음이 표면으로부터 분출되는 모습이었습니다. 분석 결과에 따르면 매초 200kg의 물질이 뿜어나오고 있습니다. 하지만 이 물질들은 우주로 흩어지지 않습니다.
토성의 바깥쪽 고리들에 공급되는 것 처럼 보입니다.
이 발견으로 과학자들은 대담한 시도를 생각하게 됩니다. 수십억 킬로미터 떨어져 있던 카시니의 궤도를 조정하여 이 수증기 기둥에 접근하도록 한 것입니다.
카시니는 엔셀라두스의 지표면 48km 지점까지 접근하여, 그 수중기 기둥과 직접 접촉했습니다.
이 근접통과를 통해 얻은 결과는 놀라웠습니다.
이 얼음으로 된 기둥을 이루는 것은 소금물의 입자였습니다. 즉 엔셀라두스의 지표 아래의 대양이 우주로 뿜어져 나오는 것이었습니다.
태양으로부터 엄청나게 멀리 떨어진, 엔셀라두스는 물로 이루어진 바다를 지면 아래에 숨겨두고 있던 것입니다.
이것은 바로 토성의 영향입니다. 엔셀라두스는 토성의 주위를 타원의 궤도로 공전합니다. 그래서 공전 중의 토성으로부터 받는 중력이 계속 변하게 됩니다.
엔셀라두스의 공전궤도에 영향을 주는 또 하나의 큰 달이 있으며, 그것은 다이오네(Dione)입니다.
토성과 다이오네에 의해 지속적으로 변화하는 중력은 엔셀라두스에 잡아당기는(Stretch) 힘과 쥐어짜는(Squeeze) 힘을 작용하면서 그 내부의 얼음에 마찰력을 작용하여 열에너지를 발생시키며 이로 인해 얼음 내부를 녹게 만듭니다.
카시니가 보내준 데이터는 더 놀라운 사실을 알려주었습니다. 수증기 기둥을 더 자세하게 분석한 결과 복잡한 유기 화합물과 규소 입자들이 발견되었습니다. 이것은 뜨거운 물의 방출을 의미합니다.
태양계 외곽의 얼어붙은 영역에 있는 따뜻한 오아시스를 발견한 겁니다. 카시니를 통해 얼음으로 이루어진 엔셀라두스의 지표면 아래에 모습을 우리는 짐작할 수 있습니다.
이러한 뜨거운 물의 존재가 중요한 것은, 지구의 생명의 탄생에 바다에서 뜨거운 물의 용출이 결정적인 역할을 했기 때문입니다. 적절한 유기물질에 풍부한 미네랄과 함께 뜨거운 물이 접촉하면서 전달된 에너지를 통해 활발한 화학작용이 일어나고 이런 일련의 화학작용을 통해 원시적 생명체와 그 양분이 되는 영양가 높은 유기물질들이 만들어 집니다.
즉, 엔셀라두스에는 생명이 탄생할 혹은 탄생했을 가능성이 있습니다.
엔셀라두스에 생명의 가능성이 있다는 사실은 우리를 흥분시킵니다.
엔셀라두스의 오아시스는 생긴지 1억년에서 1천만년 정도일 것으로 보이기 때문에 아직 생명이 생기지 않았거나 혹은 생기는 초기일지도 모릅니다. 다만 풍부한 물과 열에너지를 통해 지구에서 수십억 년의 시간을 통해 생명이 탄생하고 번성해나갔듯이, 엔셀라두스도 수십억 년 후에는 지구와는 별개의 독자적인 생태계를 만들어나갈지도 모릅니다.
토성에 도착한 지 13년이 지난 후, 카시니는 연료가 떨어졌습니다. 나사(NASA)는 이 탐사선을 엔셀라두스의 지표와 충돌하는 리스크를 감수할 순 없었습니다. 왜냐하면 엔셀라두스에 있을지도 모르는 생명체를 오염시킬지도 모르기 때문입니다.
그래서 과학자들은 카시니의 최후의 임무로 토성 내부로의 여행을 결정했습니다. 다시는 돌아오지 못할 여정이었죠.
카시니는 토성과 하나가 되었습니다.
언젠가 우리는 토성에 다시 갈 수 있을것입니다. 그때는 우리가 직접 가서 보고, 머물면서 우주의 아름다움을 더 자세히 지켜볼 수 있을 겁니다.