(Saturn eclipses the Sun, as seen by the Cassini spacecraft. Credit: NASA)
(A mechanical analog model of what might be happening with the northern and southern hemispheres of Saturn’s atmosphere and magnetospheric plasma to create misleading signals of how fast the planet is rotating. The “brake” is the slowing of plasma as it flies further from the planet, in the same way a spinning dancer’s arms move slower when they are outstretched than when they are held close to the body. Credit: E. L. Brooks, et al, 2019, JGR: Space Physics)
토성은 태양계 행성 가운데 자전 주기가 가장 짧은 행성입니다. 하지만 사실 가스 행성의 자전 주기는 자구 같은 암석 행성의 자전 주기만큰 엄밀한 개념이 아닙니다. 고정된 지표면이 없고 빠른 속도로 제각각 움직이는 기체가 표면이기 때문에 사실 위치에 따라 이동 속도도 다릅니다. 다만 전체적인 평균 속도는 이야기할 수 있습니다.
흥미로운 사실은 목성의 경우 강한 자기장과 전파 활동을 지녀 우주선 발사 이전에도 자전 주기를 알고 있었다는 사실입니다. 반면 토성은 상대적으로 자기장도 약하고 주파수도 낮아 지구에서 확인할 수 없었습니다. 토성의 자전 주기가 10시간 40분이라는 사실은 1980/1981년 보이저 1/2호 탐사 결과 밝혀졌습니다.
그런데 사실 더 흥미로운 이야기는 23년 후 토성을 방문한 카시니 탐사선을 통해 밝혀지게 됩니다. 카시니 탐사선 관측 결과에 의하면 토성의 자전 주기는 이전에 알려진 것과 6분 정도 차이가 있었습니다. 큰 차이가 아닌 것 같지만 과학자들에게는 그냥 넘어갈 수 없는 수준입니다.
버밍햄 - 서던 칼리지의 두에인 폰티우스 (Duane Pontius of Birmingham-Southern College in Alabama)와 그 동료들은 그 이유가 의외로 간단하다는 사실을 확인했습니다. 그 이유는 계절적 변화입니다. 다른 가스 행성이나 별처럼 토성의 경우 위도에 따라 표면 이동 속도가 약간 다릅니다. 이런 속도 차이는 만드는 것은 태양에서 나오는 자외선에 의해 형성된 플라스마가 만드는 항력 (drag, 진행 방향과 반대로 잡는 힘) 입니다. 이는 태양빛의 각도에 따라 차이가 있으므로 위도는 물론 북반구와 남반구 모두에서 다릅니다.
그런데 자전축이 3도 정도 기운 목성과는 달리 토성은 지구처럼 27도 기울어져 있습니다. 남반구와 북반구의 자전 속도가 약간 다른 토성을 다른 계절에 방문해 특정 지점에서 자전 속도를 측정하면 약간 다르게 나오는 것입니다. 이는 지구형 행성에서는 볼 수 없는 토성만의 독특한 현상입니다. 보이저 1/2호와 카니시 탐사가 시간을 두고 이뤄지지 않았다면 알 수 없었던 사실이기도 합니다.
주기적이고 지속적인 행성 탐사의 중요성을 보여주는 또 다른 사례라고 할 수 있습니다.
참고
E.L. Brooks et al. Saturn's multiple, variable periodicities: A dual‐flywheel model of thermosphere‐ionosphere‐magnetosphere coupling, Journal of Geophysical Research: Space Physics (2019). DOI: 10.1029/2019JA026870
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