토성의 아름다운 고리와 위성의 상관 관계

토성

공룡들이 여전히 지구를 돌아다니는 동안 재앙적인 사건이 토성의 고리를 만들 수 있었습니다. 토성의 고리는 1억 년 전에 얼음 위성 중 하나가 행성의 중력에 의해 찢어졌을 때 형성되었을 수 있습니다. 그것은 타이탄의 외부 이동과 토성의 자전과 해왕성의 궤도 사이의 공명과 함께 아름다운 고리의 생성과 관련이 있다는 새로운 연구에 따른 것입니다.

토성의 아름다운 고리의 나이

토성의 고리의 나이에 대해 수십 년 동안 논쟁이 벌어졌습니다. 일부 행성 과학자들은 고리가 행성 자체만큼 오래되었을 수 있다고 생각합니다. 하지만 1980년대 초, Caltech의 Peter Goldreich와 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Scott Tremaine은 고리에 있는 얼음 입자의 속도와 고리가 얼마나 자주 충돌하고 마모되는지를 근거로 나이를 비교적 짧은 1억 년으로 추정했습니다. 2017년, 토성에 대한 카시니 임무가 끝나면서 어린 나이에 대한 더 많은 증거를 가져왔습니다. 우주선의 Cosmic Dust Analyzer는 행성 간 먼지가 고리로 유입되는 것을 측정하였고, Cassini의 고리 질량 측정을 기반으로 고리의 1%만이 먼지로 구성되어 있음을 발견했습니다. 카시니의 발견은 대부분 환영받았습니다. 하지만 일부 행성 과학자들은 먼지 중 일부가 고리에서 토성으로 비가 내리면서 고리를 깨끗하게 유지하고 실제보다 더 젊게 보이게 할 수 있다고 지적하면서 주의를 촉구했습니다. 이제 MIT의 Jack Wisdom이 이끄는 새로운 연구는 토성의 자전축의 기울기와 가장 큰 위성인 타이탄의 궤도의 이심률을 설명할 뿐 아니라 고리의 나이가 1억 년 가까이 되어야 한다고 규정하는 물리적 메커니즘을 발견했습니다. Wisdom은 이렇게 말했습니다. "우리의 시나리오는 고리의 나이를 예측하는 첫 번째 설명입니다."

토성의 세차운동

그것은 공명, 회전력, 경사 및 세차 운동에 대한 흥미로운 이야기입니다. 토성의 기울기(즉, 행성이 태양계의 궤도면에 얼마나 기울어져 있는지)는 26.7도입니다. 2021년, 파리 천문대(Observatoire de Paris)의 Melaine Saillenfest가 이끄는 과학자들은 상대적으로 최근에 타이탄의 궤도가 바깥쪽으로 이동하면서 토성이 기울어졌을 수 있다는 사실을 보여주었습니다. 또한 토성은 세차운동(precession)이라고 불리는 현상으로 그것의 축에서 흔들립니다. 팽이의 회전축이 원을 그리며 회전하는 것과 같은 효과입니다. 행성의 자전축이 세차운동을 하는 것은 드문 일이 아닙니다. 지구의 자전축도 수천 년에 걸쳐 세차운동을 합니다. 오늘날 지구의 북극은 북극성인 Polaris를 가리키고 있지만, 몇 천년 후에는 세차 운동으로 북극이 Vega 별을 향하게 될 것입니다. 토성의 경우, 세차 운동은 주로 타이탄에 의해 유발됩니다. 이것은 태양의 중력이 달을 끌어당겨 토성에 회전력이 생깁니다. 토성의 경우, 태양의 중력이 달을 끌어당기면서 토성에 회전력이 생기면서 타이탄에 의해 세차운동이 일어납니다. 토성의 회전축에 토성이 작용하여 진동을 일으킵니다. 어느 시점에서 토성의 세차 운동의 빈도가 증가함에 따라 해왕성 궤도가 세차 운동과 함께 공명을 시작했습니다. 공명은 그네에서 아이를 미는 전형적인 예와 같은 증폭 효과입니다. 적절한 순간에 밀면 스윙의 진폭이 커질 수 있습니다. 태양계의 공명은 중력이며, 특정 발생 빈도와 관련이 있습니다. 그러나 오늘날 토성의 세차 운동과 주파수와 해왕성 궤도의 세차 운동의 빈도는 공명 상태가 아니라 바로 외부에 있으며 주파수가 완전히 일치하지 않습니다.

잃어버린 위성 Chrysalis

토성과 해왕성을 공명 상태에서 벗어나게 하기 위해 무슨 일이 일어났을까요? Wisdom은 가상의 위성을 'Chrysalis'라고 명명하였고, 이렇게 말했습니다. "우리는 혼돈의 궤도 불안정성을 통해 잃어버린 위성이 있었고, 토성과 긴밀하게 조우하여 고리를 형성했다고 제안합니다." Wisdom의 연구팀은 'Chrysalis'도 토성의 회전력에 기여하여 고리형 행성이 해왕성과 공명하도록 했다고 제안합니다. 그러나 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 1억~2억 년 전 사이에 'Chrysalis' 자체도 타이탄과 공전 궤도에 진입했을 것입니다. 이 공명은 그네를 탄 아이처럼 'Chrysalis'를 밀어내고 궤도를 불안정하게 만들었습니다. 그리고 결국에는 그것이 유명한 고리를 형성하는 위해 중력 조수가 그것을 찢어버린 토성에 너무 가까이 가는 것을 보았습니다. 'Chrysalis'의 회전력이 없었다면 토성의 세차 운동 빈도가 줄어들어 해왕성과의 공명에서 벗어났을 것입니다. 처음으로 젊은 나이에 대한 가설을 주장한 Scott Tremaine은 이 새로운 연구를 "놀랍다"라고 설명하면서 "물론 토성에게 한때 다른 추가 위성이 있었는지 확실히 알 수는 없지만 네 가지 퍼즐 (토성의 기울기, 고리의 존재, 고리의 나이, 타이탄의 편심 궤도)을 하나의 가설로 가정하면 꽤 좋은 투자 수익을 얻을 수 있습니다."라고 말했습니다.