갈릴레이는 귀, 하위헌스는 고리

보통 망원경으로 본 토성의 모습.(위키)

가까운 천문대에 갔을 때나 아니면 망원경으로 토성을 본 적이 있나요? 토성은 태양계의 행성 중 고리로 유명한 행성입니다. 물론 목성, 천왕성, 해왕성도 고리를 가지고 있지만, 토성만큼 크고 아름답지는 않습니다. 망원경으로 본 토성의 모습은 그 고리 때문에 귀엽기까지 한데요, 토성하면 떠오른 사람이 네덜란드의 천문학자이자 물리학자인 호이겐스입니다. 아니 하위헌스입니다. 하위헌스는 토성에서 무엇을 보았을까요?

토성 탐사선 카시니-하위헌스호

1629년 4월. 지금으로부터 꼭 390년 전 네덜란드에서 크리스티앙 하위헌스가 태어났습니다. 하위헌스는 물리학자이면서 천문학에 커다란 업적을 남긴 과학자입니다. 바로 토성에 고리가 있음을 처음으로 정확하게 밝혔으며, 태양계에서 두 번째로 큰 위성인 타이탄을 토성에서 발견한 것입니다. 예전에는 그의 이름을 호이겐스라고 불렀습니다만, 지금은 그의 국적인 네덜란드식 발음에 따라 하위헌스라고 합니다.   

토성 탐사선인 카시니-하위헌스의 상상도.(위키)

1997년 미국과 유럽 공동의 토성 탐사선을 만들어 발사할 때 그 이름을 카시니-하위헌스호라고 했습니다. 카시니는 토성의 고리에 틈이 있다는 사실을 발견한 이탈리아 태생 프랑스의 천문학자 조반니 도메니코 카시니입니다. 토성에 관한 이 두 과학자의 업적을 탐사선 이름으로 거듭나게 한 것이지요.

카시니-하위헌스호는 1997년 10월 15일 발사되었고, 발사된 지 20년이 지난 2017년 9월 15일 토성의 대기권에 진입해 불타 없어지면서 역사 속으로 사라지게 되었습니다. 카시니-하위헌스호는 금성, 지구, 목성의 중력의 도움을 받으면서 항해해 발사 7년 후인 2004년 7월 토성의 궤도에 진입했습니다. 카시니는 궤도선이고 하위헌스는 착륙선으로 토성의 궤도의 진입한 후 토성뿐만 아니라 고리와 위성들을 근접 촬영하면서 토성에 대해 우리가 지금 알고 있는 모든 것을 알려주었습니다. 2005년 착륙선인 하위헌스는 토성의 위성 타이탄에 착륙해 조사를 하고 임무를 마쳤습니다. 카시니는 계속 토성의 궤도를 돌며 관측 자료를 보내왔고, 2017년 토성의 대기권으로 진입하면서 장렬하게 임무를 마치게 된 것입니다.

그동안 토성을 탐사한 우주선은 파이어니어 11호, 보이저 1호와 2호가 있습니다. 파이어니어 11호는 1973년 4월에 발사되어 목성 탐사에 이어 1979년 9월 토성에서 3500km까지 근접하여 고리를 추가로 발견했습니다. 보이저 1호는 1977년 9월에 발사되어 1979년 3월 목성을 지나고 1980년 11월 토성을 지나면서 이들 행성과 위성들에 관한 자료를 보내왔습니다. 보이저 2호는 보이저 1호에 한 달 앞서 1977년 8월에 발사되었습니다. 1979년 7월에 목성, 1981년 8월에 토성, 1986년 1월 천왕성, 1989년 2월 해왕성을 지났고, 보이저 1호와 함께 지금도 태양계 끝을 향해 날아가고 있습니다.

갈릴레이는 귀, 하위헌스는 고리

토성의 고리와 위성 타이탄을 발견한 하위헌스.(위키)

자신이 직접 만든 망원경으로 목성의 4대 위성(이오, 유로파, 칼리스토, 가니메데)를 발견한 갈릴레이는 토성도 관측했습니다. 망원경의 성능이 그다지 좋지 못했던 갈릴레이는 토성을 관측하며 토성에서는 ‘귀’가 있다고 생각했습니다. 이것이 토성의 고리라고 생각한 것은 하위헌스가 처음이었습니다. 그래도 토성의 고리를 최초로 관측한 사람은 갈릴레이인 셈입니다.

갈릴레이는 1610년 토성을 관측하고 토성은 단독이 아니라 절대 변하지 않는 세 개의 체계로 되어 있으며 이들은 서로 거의 접촉하고 있다고 했습니다. 세 개의 체계란 가운데에 토성 본체가 있고 양쪽에 고리가 있다는 것인데 갈릴레이는 그 고리를 ‘귀’라고 표현한 것입니다. 당시 천문학자들은 자신의 발견이나 연구 결과를 발표하기 전에 자기가 가장 최초임을 주장하기 위해 암호문을 써서 남기는 것이 관례였습니다.  그래서 갈릴레이는 토성의 그 귀 같은 고리 의 발견을 관측하고 ‘smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras’라는 암호문을 썼는데 이것은 ‘Altissimum planetam tergeminum’을 의미하며 ‘나는 가장 먼 행성이 세 가지 모습을 가지고 있는 것을 관측했다’라는 뜻입니다.

수많은 고리를 가지고 있는 토성의 모습.(NASA)

갈릴레이의 귀가 사실은 토성의 고리라는 것을 최초로 주장한 사람은 하위헌스입니다. 하위헌스는 망원경의 성능을 개량하여 토성을 관측했고, 토성은 구형의 행성 주위에 어떤 것과도 접촉해 있지 않은 고리로 둘러싸여 있다고 기록했습니다. 하위헌스 또한 암호문으로 그 발견을 표현했습니다.

aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnooooppqrrstttttuuuuu  

이 암호문은 라틴어로 “Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cobaerente, ad eclipticam inclinato”를 의미하는데 ‘그것은 황도 쪽으로 기운 납작하고 얇은 고리로 둘러싸여 있으며, 그 고리는 어디에도 닿아 있지 않다’라는 뜻입니다. 갈릴레이에게는 귀처럼 보였던 것이 하위헌스에게는 고리로 보인 것이지요.

하위헌스는 1655년 3월 25일, 토성의 가장 큰 위성인 타이탄을 발견했을 때도 암호문을 남겼습니다.

UUUUUUUcccrrhbnqx 

  

이 암호문은 ‘토성의 위성은 16일 4시간의 주기를 가지고 있다’라는 뜻이랍니다. 토성의 위성 타이탄이 토성 둘레를 공전하는 주기가 약 16시간이라는 것입니다. 타이탄은 자전주기도 공전주기와 같아서 약 16일에 한 바퀴씩 자전을 합니다. 이것은 지구의 위성인 달이 공전주기와 자전주기가 같아서 자구에서 보기에 달의 항상 같은 면만 보는 것과 같습니다. 타이탄도 토성에서 보면 항상 같은 면만 보게 됩니다.

타이탄은 목성의 위성인 가니메데에 이어 태양계에서 두 번째 큰 위성입니다. 또한, 목성의 4대 위성 다음으로 발견된 천체이기도 합니다. 타이탄이라는 말은 그리스 신화에서 우라노스와 가이아 사이의 12남매인 타이탄족을 의미하며 영국의 천문학자 윌리엄 허셜이 붙인 이름입니다.

토성, 너의 이름은?

토성과 지구의 크기 비교. 지름으로만 보면 토성은 지구의 9배 정도입니다. 부피는 지구의 760배, 질량은 95배입니다.(위키)

토성은 태양계 여섯 번째의 행성으로 목성에 이어 두 번째로 큽니다. 지름은 약 12만km로 지구의 약 9배, 부피로는 지구의 760배이지만 질량은 약 95배인데 이것은 토성의 내부 핵은 암석 물질로 되어 있지만 이 핵 주변을 수소와 헬륨 등 기체가 둘러싸고 있기 때문입니다. 토성의 평균 밀도는 약 0.7g/cm3로 지구의 평균 밀도인 약 5.5g/cm3보다 훨씬 작습니다. 만약 토성 전체를 담을 수 있는 물통이 있다면 토성은 물에 뜰 것입니다. 물론 밀도만 따지고 본다면 토성의 평균밀도가 물의 밀도보다 작기 때문에 그렇다는 이야기입니다.  

토성은 영어로 Saturn이라고 하는데 이것은 로마 신화에서 농업의 신 사투르누스(Saturnus)에서 기원한 것입니다. 그리스 신화에서는 시간의 신 크로노스와 같습니다. 한자로는 土星(토성)이라고 하는데 농업이 흙과 관련이 있는 것을 보면 서양이나 동양이나 비슷하게 여겨온 것 같습니다. 토요일을 뜻하는 Saturday도 Saturn에서 나온 것입니다.

토성은 태양에서 가까울 때는 약 13억 5000만km, 멀 때는 약 15억km 떨어져 있으며 태양을 공전하는 데 약 29.5년이 걸립니다. 지구가 태양에서 약 1억 5000만km 떨어져 있는 것과 비교해 보면 상당히 멀다는 것을 알 수 있습니다. 그래서 토성의 표면 온도는 섭씨 영하 180℃ 정도여서 토성의 대기에 있는 메테인(메탄)이나 암모니아는 고체 상태로 존재합니다. 토성의 대기를 이루는 주요 물질은 수소가 약 93%, 헬륨이 약 5%를 차지합니다. 토성은 공전 속도에 비해 자전 속도는 아주 빨라 10시간 33분 38초에 한 바퀴씩 돕니다. 이 자전주기는 그동안 정확하게 알지 못했지만, 카시니-하위헌스호의 관측 결과를 분석해 2019년 1월에야 밝혀진 것입니다.

토성의 가장 큰 위성인 타이탄(왼쪽 아래)과 지구, 달의 크기 비교. 타이탄은 달보다도 크며 행성인 수성보다도 큽니다.(위키)

토성은 목성 다음으로 위성 부자입니다. 현재까지 발견된 목성의 위성이 79개이며 토성은 62개이며 앞으로도 더 발견될 수도 있습니다. 목성의 가장 큰 위성 가니메데와 토성의 가장 큰 위성인 타이탄은 행성인 수성보다도 더 큽니다. 토성의 위성은 토성의 고리가 발견된 해인 1659년 하위헌스에 의해 처음 발견되었습니다. 이때 발견된 위성 타이탄은 위성임에도 질소와 메테인으로 구성된 대기를 지닌 유일한 위성으로 주목받고 있습니다.

아직 망원경으로 토성을 보지 못했다면 가까운 천문대를 찾아보는 것은 어떨까요? 동그란 몸체에 앙증맞은 두 귀(?) 아닌 고리를 하고 영롱하게 빛나는 토성을 볼 수 있습니다. 또한, 그 토성 속에서 하위헌스의 과학에 대한 열정도 볼 수 있을 것입니다.

참고자료

NASA(https://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/main/index.html)  

동아사이언스(http://dongascience.donga.com/news.php?idx=26785)