토성의 고리와 위성들의 기원

저자: Wayne Spencer
번역자: 한국창조과학회 (creation.kr)

2017년 NASA의 카시니 미션(Cassini mission)이 완료된 이후, 토성의 고리(rings of Saturn)에 대한 많은 연구들이 이루어졌다. 오늘날 세속 과학자들 사이에서, 토성이 형성될 당시 고리가 형성될 수 없었다는 의견에 일치하고 있다. 이는 카시니 미션에서 얻은 데이터를 고려한 결과이다.¹ 토성의 고리가 미소유성체(micrometeorites)와 충돌로 인해 침식되고 있다는 것은 분명하다. 또한 고리에서 토성으로 떨어지는 상당한 양의 물질들이 있는데, 이를 ‘미소유성체 유입(micrometeoroid infall)’ 또는 ‘고리 비(ring rain)’라고 한다. 세속적 과학자들은 현재 토성 고리의 질량이 토성으로 모두 떨어지는데 1억5천만~4억 년이 걸릴 것이라고 평가하고 있었다.² 이로 인해 행성과학자들은 토성의 고리와 일부 위성들의 형성에 대한 새로운 격변적 모델을 고려하게 되었다.

토성의 고리가 토성으로 떨어지는 데 걸리는 시간(1억5천만 ~ 4억 년)은 설명이 필요하다. 듀리슨과 에스트라다(Durisen and Estrada)는 먼지 입자가 고리 물체에 충돌할 때, 분출된 질량과 유성체 질량의 비율을 추정하였다.² ‘분출물 수율(ejecta Yield)’이라고 하는 이 비율이 더 크면, 1천5백만 년과 같이 더 어린 나이로 산출된다. 그러나 더 작다고 가정하면, 고리의 나이가 더 길어진다. 듀리슨과 에스트라다는 수율 값을 10^5로 간주하여, 1천5백만 년에서 4억 년의 연대를 도출하였다.² 그러나 그들은 “1천5백만 년의 하한 추정치는 매우 짧아 보인다”고 언급했다.² 그런 다음 그들은 카시니 우주 먼지 분석기(Cassini Cosmic Dust Analyzer) 데이터를 기반으로, 고리로의 질량 유입을 정량화하는 켐프(Kempf et al.) 등의 다른 분석을 고려했다.³ 켐프 등은 먼지 유입으로 인한 고리의 최소 ‘오염 노출 연령’을 1억 년 전으로 추정했다.³ 듀리슨과 에스트라다는 분출물 생성량에 대해 더 작은 값인 10^4을 선택했는데, 이는 고리 연령에 대한 하한 추정치를 켐프의 추정치와 거의 일치하도록 높이는 것이었다. 따라서 듀리슨과 에스트라다는 추정된 하한값을 1천5백만 ~ 1억5천만 년으로 변경했다.² 또한 이 고리 연령은 중요한 가정을 하고 있었는데, 즉 고리가 오늘날 관측되는 것보다 과거에 훨씬 더 거대했을 것이라는 것이다.(미마스 질량의 최대 몇 배). 계산을 위해 다양한 매개변수들을 선택해야 하기 때문에, 다양한 연령 추정치가 가능하다.

토성의 수많은 위성들의 기원은 최근 수십 개의 위성들이 추가로 발견되면서 상당한 관심을 모으고 있는 또 다른 이슈가 되었다. 새로 발견된 위성 중 일부는 추가 관측을 통해 존재 여부와 궤도를 확인할 때까지 ‘임시’ 상태로 남아 있을 수 있다. NASA에 등록된 토성의 위성 수는 현재 146개이며, 가장 최근에 발견된 위성은 2023년 6월 8일에 발견되었다.⁴ 토성의 위성 팬(Pan)은 A-고리 내의 엔케 간극(Enke division) 바깥쪽 가장자리에 있다. 위성 아틀라스(Atlas), 프로메테우스(Prometheus), 판도라(Pandora), 에피메테우스(Epimetheus), 야누스(Janus)는 F-고리 근처(A 고리 바깥쪽)에 있다(그림 1). 미마스(Mimas)는 G-고리 바로 바깥쪽에 있으며, 엔셀라두스(Enceladus)는 가장 바깥쪽 고리인 E-고리 내에 있다(표 1). 토성의 위성들은 상당 부분 얼음으로 이루어져 있지만, 암석도 일부 포함되어 있다. 오늘날의 고리 형성 이론은 모델의 일부로서 때때로 위성들의 형성 이론을 통합하고 있다. 오래된 연대 관점에서, 자연주의적 형성 시나리오를 이론적으로 조사하기 위해서 다양한 컴퓨터 시뮬레이션이 실시되고 있다.

그림: NASA and STSclInfared image

TNO에 의한 파괴

다음은 카시니 미션 종료 이후, 토성의 고리를 설명하기 위해 제시된 세 가지 격변적 모델(catastrophic models)이다. 이중 첫 번째는 해왕성 바깥(너머) 천체(Transneptunian object, TNO)의 조석 파괴(tidal disruption)와 관련이 있다.⁵ 이 모델은 네 개의 외행성(outer planets)들이 태양에 더 가깝게 형성되었고, 그후 현재 궤도로 바깥쪽으로 이동했다고 주장하는 니스 모델(Nice model)과 관련하여 제안되었다.⁶ 이 메커니즘은 TNO가 토성 매우 근처를 지나갔고, 로슈 한계 내를 통과하게 되어 조각으로 붕괴되었을 것이라고 주장한다. 이 모델의 한 가지 문제점은, 이 사건을 니스 모델의 외행성 이동과 연결하면 35억 년 전에 일어난 것이 되며, 이는 토성 고리에 대한 새로운 데이터와 일치하기에는 너무 오래 전이라는 것이다. 만약 그보다 나중에 일어난 것으로, 예를 들어 2억 년 또는 4억 년 전이었다면, 그 시점은 TNO 천체가 그 당시에는 타원형으로 토성을 가로지르는 궤도에 있었을 가능성이 낮기 때문에, 가능성이 낮다. 또한, 이러한 조석 파괴 현상은 토성 고리처럼 작은 물체들이 많이 생성되는 것이 아니라, 제한된 수의 큰 파편만 생성하는 경향이 있다. 이러한 유형의 현상에 대한 시뮬레이션은 충돌 속도와 입사각과 같은 충돌에 영향을 미치는 변수에도 크게 의존한다.

혜성-위성 충돌

토성의 고리를 설명하기 위해 제안된 두 번째 모델은 혜성(comet)이나 센타우루스군(centaur object) 천체가 토성의 초기 위성들과 충돌하여 위성들이 파괴되며 형성되었다는 것이다.⁷ 충돌한 천체를 혜성이나 센타우루스 천체로 보는 것의 한 가지 장점은 궤도가 타원형에 가까워 더 빠른 속도로 움직일 수 있었다는 것이다. 이 위성은 (얼음 맨틀로 층화된) 분화된 천체(differentiated object)여야 한다. 또한 질량의 대부분이 얼음이어야 한다. 충돌은 많은 얼음 입자와 파편들을 생성할 수 있었다. 또한, 암석질 핵을 갖고 있으면서 외층은 얼음으로 이루어진 작은 위성이 토성에 더 가까이 접근했다면, 그 위성의 로슈 한계는 사실상 밀도에 따라 달라질 것이다. 따라서 이러한 천체의 얼음 맨틀은 암석질 핵보다 토성에서 더 먼 거리에서 조석력에 의해 파괴될 것으로 생각된다. 따라서 얼음 맨틀이 파괴되는 동안, 암석질 핵은 비교적 온전하게 유지될 수 있을 것으로 생각되고 있다.

하지만 이 모델에도 더 많은 것들이 있다. 토성은 비교적 빠르게 자전하며, 이는 위성들에 토크(torque, 돌림힘)를 발생시켜, 궤도를 확장시키는 경향이 있다. 이 모델은 붕괴된 초기 위성이 로슈 한계에 매우 가까운 엔셀라두스와 공명(resonance, 공진)했다고 제안한다. 이는 오늘날 A-고리의 바깥쪽 가장자리와 대략적으로 일치한다. 고리들은 항상 로슈 한계 내에서 형성된다고 여겨지고 있다. 이 위성 공명은 엔셀라두스에서 열을 발생시켰고(엔셀라두스의 액체 분출을 설명하는 데 도움이 됨)⁸ 다른 위성의 분열로 이어졌다. 이 모델의 주요 어려움 중 하나는 토성의 위성들은 일반적으로 토성과 함께 형성되었다고 여겨지기 때문에, 더 이상 존재하지 않는 위성들이 고리가 형성되기 훨씬 전부터 존재했음을 의미한다. 이는 파괴된 위성들이 오랫동안 로슈 한계 근처에 머물렀고, 바깥쪽으로 이동하지 않았음을 시사한다. 일반적으로 작은 위성이 로슈 한계 근처에 머물 가능성은 낮다고 여겨지는데, 그 이유는 궤도가 불안정해지기 때문이다. 또한 이 모델은 상당한 논쟁을 불러일으킨 미마스의 형성을 설명하려고 시도한다. 이 시나리오에서 오늘날의 미마스는 이전에 파괴되었던 위성들의 핵이 재응축된 것이다.

토성, 해왕성, 크리살리스

세 번째 모델은 2022년에 제안되었는데, 이는 토성과 해왕성 사이의 스핀-궤도 공명(spin-orbit resonance)을 사용하고, 토성의 위성인 타이탄과 파괴된 또 다른 위성을 포함하여 제안된 것이다.⁹ 이 모델은 토성과 해왕성 사이에 더 이상 존재하지 않는 공명 관계가 있었다고 제안한다. 또한 과거에 존재했지만, 현재는 존재하지 않는 ‘크리살리스(Chrysalis)’라는 비공식적인 이름의 위성이 있었다고 제안한다. 또한 이 모델은 토성의 위성인 타이탄이 한때 토성에 더 가까웠고, 바깥쪽으로 이동했다고 제안한다. 토성의 위성들을 설명하려는 이론은 종종 위성이 토성 근처에서 형성되었고, 현재의 궤도 위치로 바깥쪽으로 이동했다고 설명한다. 토성의 회전과 토성 위성의 궤도 변화는 이 모델에서 중요하다.

토성의 자전축은 해왕성 궤도의 세차 빈도(precession frequency)에 가까운 주기로 세차 운동을 한다. 또한 토성의 모양과 자전은 위성의 영향을 받는다. 가장 큰 위성인 타이탄(Titan)은 토성의 자전에 가장 큰 영향을 미친다. 이 모델에서 타이탄은 한때 토성에 더 가까웠을 것으로 여겨지며, 이로 인해 토성의 자전축이 바뀌었을 것이다. 이에 더해 과거에 이아페투스(Iapetus)와 크기, 구성, 질량이 비슷한 토성의 다른 위성(Chrysalis, 크리살리스)이 있었다는 것이다. 이 제안은 크리살리스가 다른 위성의 섭동으로 인해 불안정한 궤도에 들어섰고, 이로 인해 토성에 너무 가까이 다가갔으며, 조석력에 의해 방해를 받았다는 것이다. 크리살리스가 쪼개지면서, 고리를 구성하는 얼음 물질이 제공되었을 것이다. 그러나 이 복잡한 시나리오는 토성의 자전축이 상대적으로 크게 기울어진 것(26.7°)과, 토성과 해왕성이 현재 자전-궤도 공명(spin-orbit resonance) 상태에 있지 않은 이유를 설명하려고 시도된 것이다. 위성 크리살리스의 소실은 토성의 자전축 기울기를 변화시켜, 토성이 자전-궤도 공명 상태에서 벗어나게 했다는 것이다. 이 모델은 계산과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 뒷받침되고 있다.

이 모델은 토성, 토성의 고리, 타이탄, 그리고 해왕성과의 공명 가능성을 설명하기 위해 여러 임시방편 가설들을 결합하고 있다. 그러나 토성에서 이러한 시나리오가 제대로 작동되려면, 행성의 자전축에 영향을 미치기 위한 여러 우연적 영향들이 필요하다. 위성의 질량이 충분하고 토성과 충분히 가깝다면, 토성의 자전축에 영향을 미칠 수 있을 가능성이 있다. 그러나 위성의 조석 분열이 반드시 토성의 현재 고리를 형성하는 방식으로 파편을 널리 분산시키는 것은 아니다. 과학자들은 오랜 시간이 지나면, 파편이 평면으로 가라앉고, 우리가 보는 것처럼 물체들이 자연스럽게 고리를 형성할 것이라고 가정하는 경향이 있다. 그러나 오랜 시간이 지난다고 해서 오늘날 우리가 보는 현상을 설명하는 적절한 패턴이 반드시 나타나는 것은 아니다. 아직 정량적으로 모델링하기에는 충분히 이해되지 않은 부분들이 많기 때문에, 시뮬레이션의 최종 결과가 전체 과정을 반영하지는 않는다. 일반적으로 천체의 고리가 형성되면 시간이 지나면서 토성의 A~E의 여러 고리들의 조합과 유사한 형태로 ‘진화’할 것으로 추정하고 있다.

결론

행성과학자들은 토성의 위성들이 붕괴되어 고리를 형성하는 다양한 충돌 시뮬레이션을 수행해 왔다. 정면 충돌이나 더 빠른 속도로 충돌할 경우, 물질이 더 넓은 각도로 분산되고, 더 작은 크기의 파편이 생성되는 경향이 있다. 달이 파괴된 후 발생하는 일반적인 과정은 파편이 위성 궤도를 따라 퍼져 나가는 것이다. 그 후, 물체들이 퍼져 나가 평평한 원반에 가라앉는 데 오랜 시간이 걸린다. A-고리의 바깥쪽 가장자리에서 C-고리의 안쪽 가장자리까지의 거리가 62,000km가 넘는다는 점에 유의해야 한다.¹¹ 이는 충돌이나 조석 분열로 인해 발생하는 물질이 퍼져 나가야 하는 넓은 영역이다. 시뮬레이션 결과, 파편이 퍼져 나가 가라앉는 데는 일반적으로 수천만 년에서 수억 년이 걸리는 것으로 추정되고 있다.

오늘날 토성의 실제 고리에는 주요 고리의 구성과 두께에 몇 가지 눈에 띄는 차이가 있다.¹¹ 일부 모델은 센타우루스나 TNO 천체를 사용하는 이유는 이러한 천체가 질량의 더 큰 부분을 차지하는 규산염이나 기타 비얼음 물질로 추정되기 때문이다. 예를 들어, B-고리는 가장 무거운 고리이지만, C-고리는 A 또는 B-고리보다 비얼음 물질이 더 많다. 컴퓨터 시뮬레이션은 일반적으로 이러한 유형의 고리 간 차이를 다루지 않는다. 카시니의 방사능측정과 우주 먼지 분석기는 고리 천체의 비얼음 함량을 추정하고 있다.² C-고리의 경우 비얼음 비율은 약 1~2%로 추정되었고, A-고리와 B-고리는 0.1~0.5% 범위였다. 그러나 우주선이 실제 우주 먼지 입자(나노미터 크기)를 분석했을 때, 이와 현저한 대조가 발견되었다. 고리에 충돌하는 우주 먼지 입자는 8~30%의 규산염(silicate)이었다. 이는 고리 물질들의 95%가 얼음으로 추정되기 때문에, 젊은 연대를 시사한다.

창조론자들은 토성의 고리와 위성들의 형성에 대한 새로운 모델을 통해 어떤 결론을 내려야 할까? 토성의 E-고리처럼 주로 작은 먼지 입자로 구성된 고리는 창조 이후 생겨났을 가능성이 있다. 목성의 희미한 먼지 고리에도 같은 원리가 적용될 수 있다. 특정 위성에서 물질이 떨어져 나와 고리를 형성하는 여러 과정들이 알려져 있다. 반면, 토성 고리의 거대한 규모는 과학자들이 자연주의적 모델을 사용하여 설명하기에 매우 어려운 것으로 드러났다. 복잡한 충돌과 위성들의 붕괴는 매우 개략적으로만 모델링할 수 있으며, 이러한 시뮬레이션이 현실적인지에 대한 많은 의문들이 남아 있다. 하나님이 토성의 고리를 불과 수천 년 전에 행성과 함께 창조했다는 주장은 오늘날에도 여전히 타당한 접근 방식이다. 이러한 관점은 토성계가 창조 이후 비교적 안정적이었음을 암시하지만, 고리에는 변화가 있었고 일부 고리는 창조 당시 존재하지 않았을 수도 있다. 토성의 작은 위성들은 창조 이후 궤도가 바뀌었을 수 있으며, 일부는 창조 이후 충돌하거나 붕괴되었을 수도 있다. 고리와 위성 사이의 공명 효과는 고리와 간극의 모양을 분명하게 형성시켰다. 하지만 이러한 공명이 실제로 만들어졌는지, 아니면 창조 이후에 생겨났는지는 확실하지 않다. 토성의 주요 고리들은 지적설계와 하나님의 초자연적 행위로 만들어졌을 가능성이 있다. 창조론자들은 이러한 가능성에 대해 더 깊이 연구할 필요가 있다. 창조물이 어떻게 하나님의 영광을 보여주는지 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 수행되어야할 것이다.