토성보다 훨씬 작은 천체들도 고리를 가질 수 있다는 사실 알고 계신가요? 우주를 떠돌고 있는 작은 암석인 소행성, 그리고 왜소행성에서도 고리가 발견된다고 하는데요. 다만, 토성에서 만들어지는 고리와는 물리적으로 완전히 다른 과정을 겨처 만들어진다고 합니다.
목성형 행성 다 가진 고리
일반적으로 우리가 목성형 행성이라고 부르는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 모두 고리를 가지고 있습니다. 하지만 지구에서 관측이 가능한 고리는 토성의 고리 뿐이죠. 일반적으로 행성의 고리는 얼음과 바위, 그리고 먼지로 이뤄진 구름이 궤도를 돌며 만들어집니다. 과학자들은 여전히 이 물질들이 어디서 유래됐고, 어떻게 움직이는지 여전히 연구 중입니다.
그러던 중 2017년 과학자들은 이 고리에 가까이 접근할 기회를 얻었습니다. 토성 탐사를 위해 1997년 발사돼 20년 동안 임무를 수행한 카시니호의 임무가 끝나갈 무렵, 과학자들은 카시니호의 마지막 미션으로 토성의 고리와 얼음을 자세히 살펴볼 수 있도록 토성의 대기 속으로 카시니호를 떨어뜨린 건데요.
카시니호의 마지막 임무
카시니호가 토성의 고리에서 발견한 것은 너무 많아서 일일이 열거할 수도 없습니다. 그 중 몇 가지를 이야기 해보자면, 토성의 고리는 모래알 크기보다 더 작은 조각에서부터 산처럼 커다란 바위까지 온갖 크기의 파편들로 이뤄져 있었습니다. 여전히 과학자들은 이 고리가 얼마나 오래 전에 만들어진 건지 확실히 모릅니다. 또한 이 고리가 토성의 위성이 부서지며 만들어진 건지 아니면, 토성의 중력으로 인해 무수한 파편들이 뭉쳐지며 형성됐는지 밝혀내지 못했는데요.
토성 E 고리는 남달랐다
한편, 토성의 고리는 발견된 순서대로 알파벳 순으로 명명됐습니다. 1655년 네덜란드의 천문학자 호이겐스가 처음 발견한 주요 고리는 3개였습니다. 고리의 바깥쪽부터 A, B, C라고 이름지었습니다. 이후 탐사선 관측을 통해 다시 D, E, F, G의 존재가 확인됐습니다.
그 중 토성의 E 고리를 이루는 물질들은 조금 특별했는데요. 이 고리는 토성의 위성인 엔셀라두스에서 기원한 물질이었기 때문입니다. 엔셀라두스는 물과 얼음이 솟구쳐 나오는 얼음화산(cryovolcanoes)으로 뒤덮여 있는데요. 이 얼음화산에서 뿜어져나온 분출물이 E 고리를 이루기 때문에 이 고리는 밝게 보인다고 합니다.
소행성이 가진 고리?
2014년 과학자들은 깜짝 놀랄 만한 천체를 발견합니다. 바로 고리를 가진 소행성, 커리클로(Chariklo)를 발견한 건데요. 커리클로 천체 이외에도 카이퍼 벨트 상의 하우메아(Haumea)라는 왜소행성에서도 고리가 있다는 사실을 과학자들은 2017년 발견했습니다.
파리 천문대의 천문학자인 Bruno Sicardy는 <Nature>에 게재한 연구에서 이 작은 천체들이 위성의 도움 없이 어떻게 고리를 유지할 수 있는가 설명하고 있습니다. 참고로 위성은 행성이 고리를 붙들고 유지할 수 있게 해주는 것을 돕습니다.
여기에 어떻게 고리가 존재할까
연구의 첫 번째 설명은 만약, 천체가 충분히 빠르게 회전하고 있다면 이 천체에서 공명(resonance)이 발생할 수 있는데, 이는 고리를 이루고 있는 파편들이 흩어지거나 퍼지는 것을 막아줄 수 있다고 합니다. 토성 같은 거대행성과는 달리, 이처럼 작은 천체들의 중력장은 비축대칭성(non-axisymmetric)을 가진다고 하는데요.
참고로 비축대칭성을 가진다는 말은 물체의 회전과 고리를 이루고 있는 입자의 평균운동 사이의 강한 공명(resonance)이 발생할 수 있다는 것을 의미합니다. 참고로 공명이란 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지며 에너지가 증가하는 현상을 말합니다.
두 번째 설명은 만약 소행성이나 왜소행성의 질량중심, 즉 물체를 구성하는 질량을 가진 모든 입자들의 평균적인 위치가 거대하다면 기조력으로 인해 고리가 분해되기보다는 소행성과 왜소행성이 고리를 가질 수 있다고 합니다. 기조력은 한 물체가 다른 물체로 인해 받는 중력으로 생겨나는데요. 직경이 일정하지 않기 때문에 발생합니다. 즉, 다른 물체에 가까운 쪽이 더 큰 힘을 받으면 반대쪽은 더 약한 힘을 받게 되면서 물체의 양쪽을 잡아당기거나 찌그러트려 심할 경우 부수기도 합니다.
코넬대학교 칼 세이건 협회(Cornell University's Carl Sagan Institute, CSI)의 회원이자 이 연구의 공동 저자인 Maryame El Moutamid에 따르면, 커리클로의 경우 직경이 불규칙한 점이 고리를 유지하게 만들었고, 하우메아의 경우에는 편평도(flatness)가 높기 때문에 고리를 유지할 수 있다고 하는데요. 편평도가 높다는 것은 회전이 빠르다는 것을 의미합니다. 즉, 공명이 발생하며 고리의 파편을 흩어지지 않고 천체 주위를 떠돌 수 있도록 유지시켜주는 거죠.
▶3줄 요약
- -토성 'E 고리'는 토성의 위성 엔셀라두스에서 기원
- -2014년엔 고리 가진 소행성, 커리클로(Chariklo) 발견
- -'공명', '거대 질량중심' 두 가지 가능성
##참고자료##
