[과학] 토성고리, 원심ㆍ구심력 균형으로 간격 유지

[생활속의 과학] 토성고리, 원심ㆍ구심력 균형으로 간격 유지  
  

(질문)

토성의 고리가 토성과 떨어져 있음에도 더 멀어지거나 흩어지지 않고 일정한 간격을 유지하면서 계속 존재하는 이유는 과연 무엇인가요?

(답변)

아름다운 토성의 고리가 생기고 그것이 그대로 유지되는 것은 지구 주변에 달이 생기고 달이 떨어지지 않고 늘 그 자리를 유지하는 것과 같은 이치입니다. 지구가 끌어당기는 힘이 없다면 달은 궤도를 벗어나 지구로부터 이탈할 것 입니다. 하지만 원심력과 구심력의 균형으로 달이 궤도를 이탈하지도 않는 것은 물론 지구로 떨어지지도 않고 계속 그 자리를 돌고 있는 것이지요. 결국 질량이 있는 모든 물질들은 서로 만유인력을 갖게 되며 이것이 균형을 이루게 하는 힘이 되는 셈이지요.

토성의 고리는 1장의 판 처럼 보이지만, 사실은 무수히 많은 가는 고리의 집합체이며, A고리에서 G고리까지 7개로 분류되고 있습니다. 각각의 고리는 지름 수 cm에서 수십 m 크기의 얼음과 암석으로 이뤄져 있다는 것이 정설입니다. 이들 덩어리는 각각 토성의 본체 주위를 공전하고 있으며, 토성에서 떨어지는 일은 결코 없습니다. 고리를 이루는 수 많은 작은 고체 알갱이는 마치 위성이 행성 둘레를 공전하듯이 토성의 둘레를 돌고 있습니다. 관측 결과 안 쪽의 고리는 빠르게, 바깥쪽의 고리는 천천히 공전하고 있는 것으로 밝혀졌으며, 토성의 고리는 원반이 아니라 작은 알갱이들이 모여 있다는 사실이 확인됐습니다.

토성에는 크고 작은 33개의 위성이 있는 것으로 알려져 있으며, 고리 근처에는 지름 수십 km에서 100km의 작은 위성이 분포하고 있답니다. 또한 이들 소위성의 중력이 작용해 고리의 형태를 안정적으로 유지하게 되는 것입니다.

하지만 토성의 고리 그 자체가 어떻게 생성됐는지는 아직 정확히 규명되지 못한 상태입니다.

생성 원인에 대해서는 1994년 목성에 충돌한 슈메이커 레비 제9혜성이 귀중한 사실을 시사하고 있습니다. 슈메이커 레비 제 9혜성의 경우, 충돌하기 2년 전에 목성 2만km까지 접근했으며, 20개 이상의 덩어리로 분열해 바위 조각이나 미세한 먼지를 방출했습니다. 이러한 현상에서 행성의 중력권에 포착된 바위나 얼음 덩어리가 오랜 세월에 걸쳐 행성의 적도면에 집적돼 고리를 만들었다고 하는 유력한 설이 등장하게 됐답니다.

토성의 경우, 그 공급원이 된 소천체가 매우 컸거나 또는 위성과 충돌해 파괴됐기 때문에 거대한 고리가 생성됐는지도 모릅니다. 1979년 파이오니어 11호는 고리 사이를 위아래로 통과했지만 별다른 상처를 입지 않았다고 합니다. 고리를 이루고 있는 알갱이들의 크기가 작음을 말해주고 있는 것이죠.

이들 고리의 가장 바깥쪽에서 가장 안 쪽까지의 거리는 6만7000km 나 되며, 고리의 두께는 15km이하로 추정되고 있습니다.

사실 행성의 고리는 토성에만 있는 것은 아닙니다. `목성형 행성'이라고 불리는 4개의 행성 즉, 목성ㆍ토성ㆍ천왕성ㆍ해왕성에는 모두 규모의 차이가 있지만 고리가 분명히 존재합니다. 목성에는 1개의 가는 고리가, 천왕성에는 11개의 고리가, 해왕성에는 4개의 고리가 있다는 것이 정설입니다.  


디지털타임스