태양계의 목성형 행성 (토성)

 태양계 내 목성형 행성 중 토성은 자기권, 내부 구조, 조성 물질, 질량 등 모든 면에서 목성보다 조금씩 작은 가스 행성이다. 토성의 가장 큰 특징은 거대한 고리를 가지고 있다. 토성의 고리는 1610년 갈릴레이에 의해 처음 관측되었으나, 망원경의 해상도가 낮아 확실한 모양을 몰랐다. 이후 약 50년 후 1656년 네덜란드의 천문학자인 하위헌스에 의해 그것이 고리라는 것이 밝혀졌다. 토성은 태양계 탐사 우주선 보이저 1, 2호에 의해 많은 것들이 밝혀졌다. 지금까지 밝혀진 토성의 위성은 목성 다음으로 많은 위성을 가지고 있다. 그중 타이탄과 엔켈라두스는 지질학적 활동을 하는 것으로 보인다. 태양계에서 목성의 가니메데 위성 다음으로 두 번째로 큰 위성이며, 토성의 위성 중 가장 큰 천체인 타이탄은 표면 중력이 작음에도 불구하고 온도가 낮아 짙은 대기를 가지고 있다. 지구처럼 표면에 안정된 상태로 존재하는 액체가 확인된 최초의 천체이다.

 대기 구성은 대부분 질소로 이루어져 있으며, 메탄, 아르곤, 미량의 일산화탄소, 수소 분자 등이 존재한다. 엔켈라두스는 토성의 위성 중 6번째로 큰 위성으로 1789년 윌리엄 허셜이 발견하였다. 그 외 1671년부터 1684년 사이에 이아페투스, 테티스, 디오네 등 몇몇 토성의 위성들이 발견되었고, 19세기 말에는 토성의 위성이 9개 정도라고 알려졌었다. 아홉 번째 포이베 위성은 1898년 미국 천문학자인 피커링이 발견하였으며, 다른 위성과 정반대 방향으로 회전하여 주의 깊게 관찰하기도 하였다. 포이베는 토성의 위성 중 가장 멀리 떨어져 있어 토성으로부터 평균 거리가 약 1천3백만 킬로미터나 되며, 토성을 공전하는 데는 약 550일이 걸린다고 알려졌다. 이처럼 토성은 수십 개의 위성을 가지고 있는데 이 위성들은 대부분 얼음덩어리로 이루어져 있고, 일부는 암석도 있다. 토성의 커다란 위성들은 어떠한 내부 열원으로 표면에 충돌로 생긴 충돌 구덩이가 그대로 보존되어 있지 않고, 상대적으로 작은 위성은 충돌 구덩이가 그대로 보존되어 있었다. 따라서 토성의 위성이 몇 개의 큰 천체가 깨져서 생성된 것이라 추정하고 있다.

 토성의 고리는 수많은 얇은 고리가 레코드판처럼 곱게 나열되어 있다. 최초 발견한 갈릴레이는 토성의 양쪽에 귀 모양의 물체가 붙어있다고 하였으며, 이후 하위헌스가 고리임을 밝혀냈다. 그리고 1675년 이탈리아의 카시니는 더욱 좋은 망원경으로 토성의 고리가 하나가 아니라 여러 개로 이루어져 있다는 것을 알아냈다. 그리고 그는 고리 사이의 거대한 간격을 찾아냈으며, 이 간격이 바로 카시니 간극이라고 한다. 토성의 고리는 적도 면에 있으며, 토성 표면에서 약 7만~14만 킬로미터까지 분포되어 있다. 구성 성분은 아주 작은 알갱이 크기부터 거대한 크기의 얼음들로 이루어져 있다. 토성의 고리는 성운에서 토성이 생성되고, 이와 같은 시기에 고리도 생성되어 토성이 생성된 뒤 남은 물질이 고리를 이룬 것으로 추측하고 있다. 일부 천문학자들은 토성의 고리가 강한 중력을 못 이겨 산산조각이 난 위성의 잔해물이라고 주장하기도 한다. 위성이나 혜성, 유성체 같은 천체들이 토성에 가까이 접근하면 조석력에 의하여 부서지게 되고, 이후 잔해들이 남아 상호 마찰로 인하여 더욱 잘게 부서져 고리를 형성한다는 것이다. 토성의 부피는 목성의 60퍼센트이지만, 질량은 35퍼센트가 채 되지 않는다. 약 지구 질량의 95배이다. 따라서 토성의 밀도는 태양계 행성 중 가장 작다는 결론을 얻을 수 있다. 토성의 대기에는 목성과 같이 띠가 존재하지만, 목성보다 희미하고 적도 면에서 상대적으로 두껍다. 그러나 목성에 비해 소용돌이의 수가 적고, 가끔 커다란 소용돌이가 나타나지만, 목성의 대적점에 비해 아주 작다. 토성 대기의 구성성분도 목성과 비슷하여, 지금까지 암모니아, 에탄, 수소 분자, 메탄, 헬륨 등이 검출되었고, 그중에서 수소 분자가 가장 많다.

 토성 표면의 온도는 아주 낮기 때문에 구름이 낮은 고도에 위치하여 목성에 비하여 색이 뚜렷하지 않다. 목성처럼 태양으로부터 받는 에너지의 양보다 더 많은 에너지를 발산하지만, 목성과 같이 중력 수축에 의한 에너지로는 설명이 부족하다. 천문학자들은 그 에너지의 원천이 헬륨 강우에 두고 있다. 즉 다른 목성형 행성들에 비교하여 대기의 상층부에 헬륨이 적은 것으로, 온도가 낮은 토성에서는 헬륨들이 아래로 하강하면서 액체수소 속을 지나갈 때 그 마찰에 의하여 에너지가 발생한다는 것이다. 토성은 거대한 몸에 비해 빠른 속도로 자전과 유동체의 성질 때문에 납작한 형태를 하고 있다. 토성의 내부는 목성과 매우 유사하여, 가장 내부에 얼음과 핵으로 이루어졌다고 생각하는 핵이 존재하며, 그 위로 액체 금속 수소가 있다. 그 바깥에는 헬륨이 작은 물방울 형태로 존재하고 있는 비균질이란 층이 있다. 그 위로 수소 분자들이 층을 이루고 있다고 알려져 있다. 토성은 태양계에서 가장 낮은 밀도를 가지고 있으며, 이는 물의 밀도보다 낮은 수치이다. 그래서 토성을 물에 넣을 수 있다면 물에 뜬다고 설명하기도 한다. 토성은 기체로 이루어진 행성이라 차등 자전을 하며, 약 10시간 39분을 주기로 자전한다. 자전축은 공전 궤도면에서 약 27도 기울어져 있어 태양으로부터 약 14억 킬로미터 떨어져 공전하고 있다. 토성의 자전축은 기울어져 있는데 기울어져서 공전하기 때문에 지구처럼 계절이 생긴다. 지구에서 관찰했을 때 약 30년 주기로 고리의 모습이 바뀌고 되는데 고리의 평면이 태양과 일치할 때 우리의 시각에서는 토성의 고리가 보이지 않는다. 또한 토성의 자기장은 태양풍이 강할 때는 토성의 반지름의 약 20배까지 줄어들었다가 태양풍이 약해지면 30배 이상 늘어난다.