토성의 고리
토성의 고리는 다른 태양계 행성들의 고리에 비해 눈에 잘 띄어 유명합니다. 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 이용하여 토성의 고리를 처음으로 관측하였습니다. 하지만 당시에는 그것이 고리라는 것을 확실하게 알아내지는 못하였고, 갈릴레이는 토성에 귀가 있다고 표현하였습니다.
1609년 갈릴레이는 망원경으로 토성을 관찰하다가 토성의 양쪽에 귀 모양의 괴상한 물체가 붙어 있다가 밤이 깊어지면 차츰 사라지는 것을 발견했습니다. 갈릴레이는 이때부터 약 3년 동안 토성의 두 개의 귀가 보이지 않을 때까지 관측을 계속했습니다. 그로부터 50년 뒤 네덜란드의 천문학자 호이겐스가 토성의 '양쪽의 귀'의 실체를 정확히 밝혀냈습니다. 그것은, 귀가 아니라 고리라는 것인데 호이겐스는 이 엄청난 정보를 혼자만 알고 있을 수 없어 3년 뒤에 발표하고야 말았습니다. "토성의 양쪽 귀는 엷은 고리이다. 이 고리는 토성에 붙어 있지 않고 떨어져 있다." 호이겐스가 이러한 내용을 설명한 자리에 있었던 사람들은 모두 놀라고 말았습니다. 1675년 이탈리아의 천문학자 카시니(Jean Dominique Cassini)는 더욱 좋은 망원경을 이용해 토성의 고리를 자세히 관찰하여 토성의 고리가 하나가 아니라 여러 개로 이루어져 있다는 것을 알아냈습니다. 또한, 그는 고리 사이의 검은 선으로 보이는 거대한 간격을 찾아냈으며, 이 간격이 바로 '카시니간극(카시니 틈, Cassini division)'입니다.
우주선으로 관측한 결과 토성의 고리는 수많은 얇은 고리들로 이루어져 있었고, 이 고리들은 레코드판처럼 곱게 나열되어 있습니다. 토성의 고리는 적도 면에 자리 잡고 있으며 토성 표면에서 약 7만~14만 km까지 분포하고 있습니다. 토성의 고리는 아주 작은 알갱이크기에서부터 기차만 한 크기의 얼음들로 이루어져 있습니다.
토성의 고리는 적도면에 자리잡고 있으며 토성 표면에서 7만~14만 km까지 뻗쳐 있습니다. 그래서 토성의 고리 두께는 약 7만 km에 이릅니다. 한 개의 작은 고리 두께는 50m에 불과합니다. 토성의 고리 표면은 수근 알갱이 만한 것에서부터 기차 크기 만한 얼음들이 널려 있어 얼음 조각 작품의 전시장을 방불케 합니다.
많은 천문학자들은 토성이 생성된 뒤 남은 물질이 고리를 이룬 것으로 추측하고 있습니다. 즉 성운에서 토성이 생성되고, 이와 같은 시기에 고리도 생성되었다는 설입니다. 이는 토성의 거대한 고리계를 설명할 수 있으며, 고리의 희박한 밀도 등 여러 가지를 설명할 수 있으나, 어떻게 고리계가 45억 년 이상 유지될 수 있었는지 설명하기는 어렵습니다. 일부 천문학자들은 토성의 고리에 대하여 토성의 강한 중력을 못 이겨 산산조각이 난 위성의 잔해물이라 주장합니다. 즉 위성이나 유성체, 혜성과 같은 천체들이 토성에 가까이 접근하면 조석력에 의하여 부서지게 되고, 이후 잔해들이 남아 상호 마찰로 인해 더욱 잘게 부서져 고리를 형성한다는 것입니다.
토성의 위성
토성은 많은 수의 위성을 가지고 있습니다. 이 위성들은 대부분 얼음 덩어리로 이루어져 있고, 일부는 암석도 섞여 있습니다. 토성에는 현재 확인된 위성이 145개가 있고, 공식적으로 이름이 붙여진 위성은 63개입니다. 목성의 가니메데에 이어 두 번째로 큰 위성인 타이탄은 주로 질소와 메탄으로 이루어진 짙은 대기를 보유하고 있는 유일한 위성으로 알려져 있습니다.
토성의 위성들을 보면 상대적으로 커다란 위성은 처음 생긴 충돌구덩이가 그대로 보존되어 있지 않습니다. 즉 어떠한 내부 열원으로 표면이 변했다는 것을 추측할 수 있습니다. 하지만, 상대적으로 작은 위성은 충돌구덩이가 그대로 보존되어 있었습니다. 따라서 천문학자들은 토성의 위성이 몇 개의 큰 천체가 깨어져 생성된 것이라 추측하고 있습니다.
토성에는 태양계에서 두 번째로 커다란 위성인 타이탄을 가지고 있습니다. 타이탄은 지름 약 5,150km, 질량 약 1.37x1023으로, 태양계 위성 중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성입니다. 타이탄은 표면 중력이 작음에도 불구하고 온도가 낮아(약 -180 °C) 짙은 대기를 가지고 있었는데, 1944년 천문학자 제러드 카이퍼는 타이탄의 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했습니다. 타이탄의 대기는 대부분 질소로 이루어져 있으며, 메탄과 아르곤, 그리고 미량의 수소분자, 일산화탄소 등이 존재합니다.
타이탄이 발견된 후 조반니 도메니코 카시니는 1671년부터 1684년 사이에 이아페투스(Iapetus), 테티스(Tethys), 디오네(Dione) 등 몇몇 토성의 위성들을 발견해 토성 연구에 큰 공을 세웠습니다. 카시니가 발견한 위성들은 목성의 가장 작은 갈릴레이 위성 유로파보다 훨씬 작은 것들이었습니다. 이 가운데 이아페투스의 지름은 약 1,440km이고 가장 작은 테티스는 약 1,060km에 이릅니다. 이아페투스는 특이한 표면을 가지고 있습니다. 토성의 다른 위성보다 약 10~15배 이상 밝은 이아페투스의 땅은 온통 밝은 색은 아니고 밝은 곳은 눈처럼 희고 어두운 쪽은 숯을 연상할 정도로 어둡다고 알려져 있습니다. 보이저 1호는 이아페투스의 두 면 가운데 밝은 쪽은 얼음으로 덮여 있고 어두운 쪽은 먼지들로 이루어졌다는 것을 밝혀냈습니다. 디오네의 지름은 약 1,120km이며 토성에서 약 37만 7천 km 떨어진 위치에 자리 잡고 있는데 약 2.7일 주기로 토성을 한 바퀴 돕니다.
19세기말에는 토성의 위성이 아홉 개 정도라고 알려졌었습니다. 아홉 번째 포에베(Phoebe)는 1898년 미국 천문학자 에드워드 찰스 피커링이 발견했습니다. 이 포에베는 토성의 다른 위성과 정반대 방향으로 공전해 천문학자들이 주의 깊게 관찰한 바 있다. 포에베는 그때까지 발견된 토성의 위성 가운데 가장 멀리 떨어져 있어 토성으로부터의 평균거리가 약 1천3백만 km나 되며, 토성을 공전하는 데는 약 550일이 걸립니다. 토성의 위성에는 분화구가 많은 것이 특징이며, 이중 미마스(Mimas)는 자신의 크기에 비하여 큰 분화구를 가지고 있어 집중을 받고 있습니다. 이 분화구는 미마스 면적의 4분의 1 정도를 차지합니다.