아름다운 토성 고리의 '동안 비결' 밝혔다

미국과 유럽의 토성 탐사선 카시니가 2005년 5월에 촬영한 토성 고리 사진. 고리를 이루는 입자 크기에 따라 색을 다르게 입혔다. NASA/JPL 제공

토성을 특별하게 만들어주는 크고 아름다운 고리는 과학자들의 오랜 탐구 주제다. 대부분 얼음으로 이뤄진 토성의 고리는 외부 물질이 거의 퇴적되지 않아 나이에 비해 깨끗한 상태를 유지한다는 연구결과가 나왔다.

효도 류키 일본 지구생명과학연구소 연구원팀은 시뮬레이션을 통해 토성 고리에 외부 물질이 거의 퇴적되지 않는 '오염 저항' 메커니즘을 밝혀내고 연구결과를 16일 국제학술지 '네이처 지구과학'에 공개했다. 고리의 나이가 4억년이 채 되지 않아 토성의 나이인 45억년보다 훨씬 어리다는 지난해 연구를 뒤집는 결과다.

1609년 이탈리아의 과학자 갈릴레오 갈릴레이는 토성을 관측하고 토성에 '귀'가 달려 있다는 기록을 남겼다. 당시 망원경 성능이 좋지 못해 토성 고리의 정체를 파악하지 못한 것이다. 이후 토성의 귀가 사실은 거대한 고리였다는 사실이 밝혀지면서 과학자들은 토성 고리의 기원과 정체를 밝히기 위한 노력을 이어왔다.

과학자들은 토성의 나이로 추정되는 약 45억년 전에 토성의 고리도 함께 형성됐다고 생각했다. 또 우주를 날아다니는 암석 파편인 미세 유성체(mircrometeoroid)들이 고리와 지속적으로 충돌하면서 먼지를 묻혀 토성 고리를 어둡게 만들 것으로 추정했다. 이후 미국과 유럽의 공동 토성 탐사선 카시니(Cassini)가 토성에 근접해 관찰하면서 토성의 고리가 토성 나이에 비해 밝고 깨끗하다는 사실이 밝혀졌다. 

지난해 6월 25일 NASA의 제임스 웹 우주망원경의 근적외선 카메라로 관측한 토성. NASA, ESA, CSA 제공

지난해 5월 미국 볼더 콜로라도대(UC볼더) 연구팀은 카시니가 측정한 데이터를 통해 토성 고리를 구성하는 얼음 위의 먼지가 쌓인지 4억년이 되지 않는다는 연구결과를 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개했다. 토성의 고리가 비교적 최근에 생겼다는 주장이다.

류키 연구원팀은 컴퓨터 모델을 통해 미세 유성체가 토성의 고리를 이루는 얼음 입자와 충돌하는 과정을 시뮬레이션했다. 먼저 고속으로 충돌한 미세 유성체는 기체 상태로 변하고 토성 자기장의 영향을 받아 팽창·냉각·응축돼 전하를 띤 입자를 형성했다.

시뮬레이션 결과 미세 유성체가 변화한 하전 입자들은 대부분 토성이나 토성 대기권으로 날아가거나 토성의 중력 영향권 밖으로 벗어나면서 고리에서 제거됐다. 토성 고리에 충돌하는 미세 유성체가 고리에 거의 퇴적되지 않는다는 뜻이다.

연구결과는 토성의 고리가 나이에 비해 깨끗하고 젊은 상태를 유지할 수 있는 이유를 설명한다. 연구팀은 "토성 고리는 수십억 년 정도 됐고 단순히 젊은 모습을 유지하고 있다는 것을 의미한다"고 밝혔다.

연구팀은 이번에 밝혀낸 오염 방지 메커니즘이 "태양계의 다른 행성인 천왕성과 해왕성의 고리뿐 아니라 행성의 얼음 위성에서도 일어날 수 있을 것으로 예상한다"며 "후속 연구가 더 많이 필요하다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41561-024-01598-9

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]