물리적인 특성
토성의 밀도는 태양계 행성들 중 가장 낮습니다. 자전 속도는 빠르며 표면은 고체가 아닙니다. 이러한 요소들이 결합하여 토성의 외관은 육안으로도 구분될 정도로 회전 타원체 형태로 눌려 있습니다. 토성의 극반지름과 적도 반지름은 대략 10% 정도 차이가 나는데, 극 반지름은 54,364km임에 반해 적도 반지름은 60,268km에 이릅니다. 다른 가스 행성들도 찌그러진 것은 마찬가지이나, 토성처럼 심한 경우는 없습니다. 토성의 중심핵 부분의 밀도는 높을 것으로 예상되지만, 전체적인 토성의 밀도는 0.69g/mL에 불과합니다. 따라서 토성의 질량은 지구의 95배 정도입니다.(목성의 질량은 지구의 318배에 이르지만, 반지름은 토성보다 20퍼센트 더 큰 정도입니다) 토성은 물에 띄워진다고들 하지만 토성은 물에 띄워지는 성질이 아니고, 밀도만 따지면 그렇습니다. 토성을 담을 정도의 물은 액체상태를 유지할 수 없습니다.
내부 구조
토성의 내부가 어떻게 되어 있는지 정확하게 알려져 있지는 않지만 목성과 비슷할 것으로 생각됩니다. 구체적으로 암석 물질로 이루어진 핵 위를 수소와 헬륨이 둘러싸고 있을 것으로 보입니다. 암석핵은 지구와 물질 조성은 비슷하나 밀도는 더 높습니다. 핵을 금속 수소의 두꺼운 층이 둘러싸고 있으며 그 위는 액체 수소 및 헬륨의 층이 있습니다. 최외곽층 1000km는 기체 수소 및 헬륨의 층일 것입니다. 여러 종류의 물질로 이루어진 얼음들이 소량 포함되어 있습니다. 중심핵 질량은 지구의 9배에서 22배 정도일 것으로 보입니다. 토성의 중심부는 11,700°C 정도로 매우 뜨거우며 태양으로부터 받는 복사열의 2.5배에 이르는 에너지를 우주로 방출합니다. 이 가외의 에너지 대부분은 켈빈-헬름홀츠 기구(완만한 중력수축 과정)를 통해 생산되지만 이 이론만으로 토성의 내부열을 모두 설명할 수는 없습니다. 토성 내부 깊은 곳에서 '헬륨의 비가 쏟아지는' 과정을 통해 열에너지 일부가 추가로 생겨난다는 이론이 제기되었습니다. 헬륨 방울들은 내부로 추락하면서 보다 가벼운 수소와 마찰을 일으켜 열을 방출한다고 생각됩니다.
하지만, <네이처 천문학>에 발표된 새로운 연구에 따르면 토성의 핵은 단단한 암석이 아니라 얼음, 바위, 금속성 유체가 섞인 상태임이 밝혀졌습니다.
대기
토성도 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 대기의 거의 전부를 이루고 있습니다. 조성 비율은 수소 93.2%에 헬륨 6.7%입니다. 이외에도 암모니아, 아세틸렌, 에테인, 인화수소, 메테인 성분도 적은 분량이지만 검출됩니다. 토성의 내부는 중심 부분만 고체로 이루어져 있고, 나머지는 압축된 헬륨과 수소로 이루어진 것으로 추측됩니다. 토성은 태양과 약 14억 km 떨어져 대기층의 평균 온도는 목성보다 낮은 -145°C 정도이다. 토성 표면에도 목성과 비슷한 가로줄무늬와 반점이 있습니다. 이것은 자전주기가 빨라서 대기의 격렬한 흐름과 소용돌이 때문에 나타나는 것입니다.
공전 궤도와 자전
토성과 태양 사이의 평균 거리는 1,400,000,000 킬로미터(9 천문단위)입니다. 공전궤도 평균 속도는 9.69km/s로, 지구 시간으로 태양을 1회 공전하는 데에는 10,759일(29.5년)이 걸립니다. 토성 궤도 경사각은 지구 공전면에 대해 2.48도 기울어져 있습니다. 궤도 이심률이 0.056이기 때문에 토성과 태양 사이 거리는 태양에 가장 가까울 때와 멀어졌을 때 차이가 약 155,000,000 킬로미터입니다.
토성은 기체로 이루어진 행성이라 차등자전을 하며, 자전축은 공전궤도면에 비하여 약 27° 기울어져 있습니다. 기울어져서 공전을 하므로 지구처럼 계절이 생깁니다. 지구에서 봤을 때 대략 30년을 주기로 고리의 모습이 바뀌게 됩니다. 고리의 평면이 태양과 일치할 때 우리의 시각에서는 토성의 고리가 보이지 않게되며 한 주기에 두 번 즉 약 15년에 한 번씩 일어나게 됩니다.
다른 유체 천체와 마찬가지로 토성 표면에 보이는 구조들은 위도에 따라 다른 속도로 행성을 일주합니다. 속도 차이에 따라 계(系:) I, II로 나눌 수 있습니다. 계 I은 공전 주기 10시간 14분 00초로 지구 시간 1일에 844.3도 회전하며 ‘적도 지역’(남방 적도대의 북쪽 경계면부터 시작하여 북방 적도대의 남쪽 경계면까지 미치는 부분)이 여기에 해당됩니다. 계 I 지역을 뺀 나머지 부위는 같은 속도로 자전하며 이를 계 II라고 부릅니다. 계 II는 공전 주기 10시간 39분 24초로 지구 시간 1일에 810.76도 회전합니다. 보이저 호 플라이바이 때 행성으로부터 방출된 전파에 기반하여, 새로운 지역 계 III를 정의할 수 있습니다. 이 지역의 공전 주기는 10시간 39분 22.4초로 지구 시간 1일에 810.8도 회전합니다. 계 II와 III의 물리적 수치는 매우 비슷합니다.
그러나 토성 내부 물질들의 정확한 자전 주기는 제대로 밝혀지지 않았습니다. 2004년 카시니 호는 토성에 접근하면서 토성의 전파 자전 주기가 10시간 45분 45초(± 36초)로, 인식 가능할 정도로 느려졌음을 확인했습니다. 이러한 변화의 원인은 알려져 있지 않습니다. 종전에는 변화 원인을 토성의 자전 속도 변화 때문이라기보다는 전파원이 토성 내부 다른 위도로 이동, 각기 다른 공전 속도로 행성을 돌기 때문인 것으로 추측했습니다.
이후 2007년 3월 전파방출 자전은 행성의 자전 속도를 따르지 않음이 밝혀졌습니다. 측정된 자전 주기 값이 다양한 원인으로 토성의 위성 엔셀라두스의 간헐천 활동을 들고 있습니다. 간헐천 활동으로 토성 궤도상에 방출된 수증기는 대전된 뒤 토성의 자기장을 약화시키며, 자기장 자전 속도를 행성 자체 자전 속도보다 조금 늦춥니다. 이 발표 당시 기준으로, 토성의 중심핵 자전 속도를 구할 수 있는 방법은 달리 없는 것으로 언급되었습니다.
2007년 10시간 32분 35초, 토성의 정확한 자전 주기가 발표되었는데, 이 값은 보이저 호, 파이오니어 탐사선, 카시니 호가 수집한 자료들을 취합 분석하여 낸 수치입니다.
육각형 구름
토성의 북극(위도 약 77도)에는 왼편 그림과 같이 육각형으로 회전하는 구름이 존재합니다. “육각형 구름” 또는 “육각형 제트류”로 불리는 이 구름은 1980년대 보이저 호에 의해 발견된 뒤 토성의 공전주기로 인해 관찰이 불가능했다가 약 30년 뒤 카시니 호에 의해 다시 촬영되었습니다. 구름이 차지하는 영역이 지구의 두 배 크기 정도 되며, 그 안에서 제트류가 초속 100m 정도로 회전하고 있는 것으로 추측되고 있습니다.
이 육각형 구름 현상은 카시니 호 연구원에 의해 우주에서 일어나는 가장 아름다운 미스터리라는 평가를 받았습니다. 이후 액체를 통한 실험으로 비슷한 모양이 나타나는 현상을 재현할 수가 있다는 보고가 나왔습니다. 덴마크 공과 대학 물리학과의 토마스 욘손 등이 2008년에 발표한 관련 실험 논문에 따르면, 원통형 용기에 액체를 채우고 그 안에서 원판을 전동기로 회전시키면서 원통 위에서 이를 관찰하면 전동기의 회전수에 따라 원심력에 의해 삼각형에서 육각형까지 다각형이 나타나게 된다고 밝혔습니다. 따라서 토성의 북극 내부가 이와 비슷한 형태로 구성되어 있다는 추측이 가능합니다.