오랜 세월, 행성 과학자들은 "토성의 아름다운 고리는 어떻게 형성되었을까?"라는 의문을 품어왔다.
그리고 최근, 매사추세츠공대(MIT) 지구대기행성과학과 소속 잭 위드덤 씨 등 연구팀이 실시한 토성의 흔들림에 대한 수치 시뮬레이션을 통해, "토성의 고리" 형성에 대한 새로운 가설이 제출되었는데.....
이들에 따르면, 과거 토성 주위에는 "크리살리스"라는 위성이 있었는데, 이것이 붕괴되면서 토성 고리가 형성됐다는 것이다.
■ 토성과 해왕성은 이전에 공명했었다
토성의 자전축은 현재 26.7도로 기울어져 있고, 이 기울기에는 토성에서 제6위성 "타이탄", 해왕성에 이르기까지 일련의 중력작용이 영향을 미친 것으로 여겨져 왔습니다.
실제로 토성의 세차 운동(자전축이 원을 그리듯 흔들리는 현상) 속도는 해왕성의 궤도 전체가 흔들리는 속도와 매우 비슷한 것으로 보고되고 있는데, 토성의 축은 팽이처럼 흔들리고 있고, 태양을 도는 해왕성의 궤도도 훌라후프처럼 흔들리고 있다는 것. 그리고 둘 사이의 흔들림이 마치 "공명"하는 것처럼 닮았다는 것이다.
그래서 이번에, 위즈덤 씨 등 연구팀은 토성 탐사선 카시니(2004~2017년 운용)로부터 얻은 마지막 데이터를 바탕으로, 토성의 중력장 매핑, 행성 내 질량 분포의 모델화, 관성 모멘트를 계산해 토성과 해왕성의 공명에 대해 자세히 조사 한 결과, 토성과 해왕성의 기우뚱거리는 것은 매우 비슷하지만 공명하고 있는 것은 아니라는 것을 알게 되었다.
그러나 위즈덤 씨는, "토성과 해왕성의 기우뚱거림은 매우 비슷해 우연이 있을 수 없다"고 생각하고 있고, 그리고 "예전에는 공명했지만 어떤 이유로 인해 현재는 공명하지 않게 되었다"는 결론에 도달.
그럼 어떤 이유로 토성과 해왕성은 공명하지 않게 된 것일까요?
연구팀은 그 원인이 토성을 도는 위성에 있었다고 보고, 또 다른 시뮬레이션을 실시.
■ "한때 존재했던 위성이 토성의 고리를 형성했다"라는 시나리오
토성은 현재 타이탄을 포함한 많은 위성을 가지고 있고, 그리고 만일 추가 위성이 존재할 경우 이것이 토성과 해왕성의 공명에 영향을 줄 수 있다.
그래서 팀은 크리살리스(Chrysalis)라고 이름 붙인 가공의 위성을 추가해, 토성에 어떤 영향을 미칠지 수백 번 시뮬레이션 한 결과, 하나의 시나리오가 나왔는데...그 내용은 다음과 같다.
과거 토성 주위에는 위성 크리살리스가 존재하고 있었고, 토성은 해왕성과 공명했고, 타이탄과도 상호작용한 결과 토성의 자전축은 약 36도로 기울어져 있었던 것으로 보인다. 그런데 약 1억6000만 년 전, 크리살리스 궤도가 불안정해지면서 토성에 급접근하게 되고, 위성은 주성으로부터 일정한 거리(로시 한계) 이내에 접근하면 조석력에 의해 붕괴되어 버린다.
크리살리스도 이에 빠지지 않고 붕괴. 크리살리스의 99%는 토성에 충돌했지만, 나머지 1%는 토성 주위를 부유하고 있었으며, 이것이 토성의 고리를 형성한 것으로 보인다는 것.
현재 관측으로는 토성의 고리의 대부분은 얼음으로 형성되어 있다.
이 점도, 크리살리스가 얼음으로 덮여 있었다(실제로 태양계의 일부 위성이 그렇듯이)고 생각하면 맞는 이야기...
그리고 크리살리스의 붕괴와 충돌이 토성과 해왕성의 공명을 해제하면서 토성의 자전축 각도도 현재의 26.7도로 변화한 것으로 보이는데, 하지만 390회의 시뮬레이션 중 토성의 고리가 형성된 것은 단 17회뿐이었다.
그렇기 때문에 "이 시나리오가 실제로 생겼을 가능성은 있지만 앞으로 비슷한 이벤트가 생기는 일은 거의 없다"라고 할 수 있을 것 같다.
참고로 가공의 위성 "크리살리스"의 명칭은, 이름의 의미 그대로 "번데기"의 상태에서 유래했고, 45억 년 동안 번데기처럼 껍데기에 갇혀 있던 크리살리스는 갑자기 나비처럼 아름다운 토성 고리로 "우화"한 것이다.
변용을 나타내는 신비한 시나리오이지만, 이것이 사실인지는 앞으로 행성 과학자들에 의해 밝혀질 것입니다.
