토성

토성의 질량은 지름은 9배고 지구의 95.1배이며 12만 km 가량으로서 크기와 질량에서 목성 다음으로 태양계에서 큰 행성이다. 토성의 대기는 수소와 헬륨이 주를 이루고 조금의 메탄과 암모니아가 첨가되어 있다. 토성의 표면온도는 섭씨 영하 180°C정도 되며 토성의 온도가 낮은 이유는 태양과 너무 멀리 떨어져 있기 때문으로 지구가 태양으로부터 받는 열의 100분의 1밖에 받지 못한다고 한다. 토성에서는 이 추위때문에 암모니아나 메탄 등이 고체 형태로 존재한다. 토성 상공 1,000km 아래는 수증기와 암모니아 구름이 같이 존재하고 있으며 대기의 속도가 커서 적도에서는 시속 1,800km의 강풍이 매섭게 휘몰아친다. 토성은 고리가 있기 때문에 밝은 빛으로 빛나며 수성보다도 밝은 빛을 내는데 태양계 행성 가운데 매우 멀리 있는데도 빛이 나는 이유다.

토성은 태양으로부터 여섯 번째에 있는 행성이다. 토성은 태양계 내의 행성 중에서 두 번째로 크며 지름은 약 12만 km로 지구의 9.1배이며 부피는 760배에 달한다고 전해진다. 그러나 이거에 비해 질량은 지구의 95배밖에 안돼서 토성의 평균 밀도는 0.7g/cm3에 지나지 않는다. 그리고 토성의 표면 중력은 지구와 비슷하고 토성은 목성, 천왕성, 해왕성과 함께 목성형 행성으로 분류된다.

토성은 총 63개의 위성을 가지고 있다. 대부분은 얼음 덩어리로 이루어져 있고 일부는 암석도 섞여 있다. 토성의 위성은 1659년에 처음 발견되었으며 이 해 호이겐스에 의해 토성의 고리가 발견된 해이기도 하다. 이 위성은 200년 뒤 로마 신화의 새턴과 친인척 관계인 타이탄이라고 불렀다고 한다.

타이탄은 크기 5150km, 질량 1.35*10^23으로 태양계 위성 중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성이고 타이탄은 표면 중력이 작은데 온도가 낮아 대기를 가지고 있고 1944년 천문학자 카이퍼는 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했다.

토성은 목성과 아주 비슷하지만 아름다운 고리로 사람들의 눈을 이끈다. 토성에 대한 연구는 1610년 갈릴레이를 통해 본격적으로 시작되었으며 처음에 토성의 고리를 보고 이것을 토성의 귀나 손잡이라고 부르기도 했다. 그러나 그가 죽은 뒤 50년 후인 1659년 네덜란드의 천문학자인 호이겐스에 의해 이것이 고리라는 것이 밝혀지고 최근의 보이저가 관측할 때까지는 너무 희미해서 상세하게 알 수는 없었지만 토성의 신비는 태양계 탐사 우주선 보이저 1,2호에 의해 낱낱이 밝혀졌다. 토성에는 모두 60개의 위성이 있는 것으로 2006년 11월까지 확인되었으나 2019년 10월에 와서 토성의 위성은 82개이며 현재까지 태양계 중 가장 위성이 많은 것으로 밝혀졌고 앞으로 더 발견될 수도 있다고 본다. 토성의 위성 가운데 타이탄은 발견 역사가 가장 오래됐고 다른 태양계 위성 중에서는 볼 수 없는 얼음이 지표면에 있다.

토성의 내부가 어떻게 되어 있는지 정확하게 알려져 있지는 않지만 목성과 비슷할 것으로 추측된다. 암석 물질로 이루어진 핵 위를 수소와 헬륨이 둘러싸고 있고 암석핵은 지구와 물질 조성은 비슷하나 밀도는 더 높다. 핵을 금속 수소의 두꺼운 층이 둘러싸고 있으며 그 위 액체 수소 및 헬륨의 층이 있다. 최외곽층 1000km는 기체 수소 및 헬륨의 층일 것이라 생각한다. 여러 종류의 물질로 이루어진 얼음들도 소량 포함되어 있으며 중심핵 질량은 지구의 9배에서 22배 정도일 것으로 보인다. 토성의 중심부는 11,700°C 정도로 뜨거우며 태양으로부터 받는 열의 2.5배에 이르는 에너지를 우주로 내뿜는다.  에너지 대부분은 켈빈-헬름홀츠 기구를 통해 생산되지만  이론만으로 토성의 내부열을 모두 설명할 수는 없다. 토성 내부 깊은 곳에서 헬륨의 비가 쏟아지는 과정을 통해 열에너지 일부가 추가로 생겨난다는 이론도 있다. 헬륨 방울들은 내부로 추락하면서 보다 가벼운 수소와 마찰을 일으켜 열을 방출한다고 추측되어진다.

토성의 자기축은 자전축과 거의 일치하는데 지구만 봐도 지리적 북극점과 자북극점이 일치하지 않기 때문에 나침반으로 북극과 남극을 찾을 수 없다. 하지만 토성에 가서 지구와 같은 조건으로 나침반을 쓴다면 토성의 북극과 남극을 작은 오차 내에서 거의 정확히 찾아 낼 수 있다고 한다.

토성은 내부 액체 금속 수소층의 부피와 매우 빠른 자전으로 인해 자기권의 넓이가 엄청 넓은데 목성과 토성의 질량비는 4:1이지만 자기권 넓이의 비는 격차가 훨씬 적은 4:3으로 이는 질량당 자기 에너지는 목성보다 토성이 더 세다는 이야기다.

토성은 수십 개의 위성을 가지고 있는데 위성들은 대부분 얼음 덩어리로 되어있지만 일부는 암석도 섞여 있다. 토성에는 현재 확인된 위성이 60개 정도 있고 공식적으로 이름이 붙여진 위성은 53개이다. 목성의 두 번째로 큰 위성인 타이탄은 주로 질소와 메탄으로 이루어진 짙은 대기를 보유하고 있는 유일한 위성으로 알려져 있다.

토성의 위성들 중 상대적으로 커다란 위성은 처음 생긴 충돌구덩이가 그대로 보존되어 있지 않다. 이 이야기는 어떠한 내부 열원으로 표면이 변했다는 것을 추측할 수 있는데, 상대적으로 작은 위성은 충돌구덩이가 그대로 보존되어 있었다. 이것을 보고 천문학자들은 토성의 위성이 몇 개의 큰 천체가 깨어져 생성된 것이라 생각하고 있다.

타이탄이 발견된 후 조반니 도메니코 카시니는 1671년부터 1684년 사이에 이아페투스, 테티스, 디오네 등 몇몇 토성의 위성들을 발견해 토성 연구에 큰 공을 세웠는데 카시니가 발견한 위성들은 목성의 가장 작은 갈릴레이 위성 유로파보다 훨씬 작은 것들이었다. 이 중에 이아페투스의 지름은 약 1,440km이고 가장 작은 테티스는 약 1,060km에 이르는 것으로 알려졌다. 이아페투스는 특이한 표면을 가지고 있는데 토성의 다른 위성보다 약 10~15배 이상 밝은 이아페투스의 땅은 밝은 곳은 눈처럼 희고 어두운 쪽은 숯처럼 어둡다고 알려져 있다. 보이저 1호는 이아페투스의 두 면 가운데 밝은 쪽은 얼음으로 덮여 있고 어두운 쪽은 먼지들로 이루어졌다는 것을 알렸다. 디오네의 지름은 1,120km로 추정되며 토성에서 약 37만 7천km 떨어진 위치에 자리 잡고 있는데 약 2.7일 주기로 토성을 한 바퀴 돈다.

19세기 말에는 토성의 위성이 아홉 개 정도라고 알려져 있었는데 아홉 번째 포에베는 1898년 미국 천문학자 에드워드 찰스 피커링이 발견했다. 이 포에베는 토성의 다른 위성과 정반대 방향으로 공전해서 주의 깊게 관찰한 바 있다. 포에베는 그때까지 발견된 토성의 위성 가운데 가장 멀리 떨어져 있고 그 거리가 토성으로부터의 약 1천3백만 km나 되며 토성을 공전하는 데는 약 550일이 걸린다고 알려져있다. 토성의 위성에는 분화구가 많은 것이 특징인데 미마스는 자신의 크기에 비하여 큰 분화구를 가지고 있어 궁금증을 자아내고 이 분화구는 미마스 면적의 4분의 1 정도를 차지한다고 한다.