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태양계 이야기 1181 - 토성의 위성 타이탄은 두 위성의 충돌의 결과물?



 (토성의 위성 타이탄. NASA/JPL-Caltech/SSI/Kevin M. Gill)


​(토성의 위성 하이페리온. Approximately true-color mosaic of Saturn's moon Hyperion. Composed of several narrow-angle frames and processed to match Hyperion's natural color. Taken during Cassini's flyby of this lumpy moon on 26th September 2005. Credit: NASA / JPL / SSI / Gordan Ugarkovic)

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토성의 위성 타이탄은 두꺼운 대기와 액체 상태의 호수를 지닌 유일한 위성으로 현재 많은 과학적 탐구의 대상이 되고 있습니다. 하지만 가까운 궤도를 공전하면서 3:4 궤도 공명을 이루는 또 다른 위성인 하이페리온 (Hyperion)에 대해선 알려진 것이 적습니다. 하이페리온은 360.2 km × 266.0 km × 205.4 km의 감자 모양 형태의 위성으로 토성의 위성 가운데 8번째로 크면서 형태가 매우 이상해 다른 위성과 다른 배경을 지니고 있을 것이란 추정이 가능합니다.

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SETI의 과학자인 마티야 추크 (SETI Institute scientist Matija Ćuk)와 동료들은 토성과 그 위성을 상세히 관측했던 나사의 카시니 탐사선 데이터를 분석해 과거 토성에 위성이 하나 더 존재했으며 이 위성과 타이탄이 충돌하면서 현재의 타이탄과 고리가 생성되었다는 가설을 내놓았습니다.

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과거 UC 버클리와 MIT의 연구팀은 토성의 세차 운동을 분석했습니다. 행성의 세차 운동은 주변을 공전하는 위성에 영향을 받습니다. 이는 토성 같은 큰 위성도 예외가 아닙니다. 연구팀은 토성의 질량이 생각보다 안쪽에 몰려 있다는 점과 세차 운동이 해왕성과 맞지 않는 점을 들어 과거 튕겨나간 다른 위성이 있었을 가능성을 제시했습니다.

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SETI 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 사라진 위성이 토성에 충분히 가까이 접근하여 고리를 형성할 수 있는지 여부를 판단했습니다. 가장 가능성이 높은 결과는 이 위성이 타이탄과 충돌하는 것이었습니다. 그리고 이 충돌한 위성의 궤도는 하이페리온과 일치했습니다.

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더 흥미로운 사실은 하이페리온과 타이탄의 충동이 태양계 역사 기준으로 비교적 최근인 수억 년 사이에 일어났다는 것입니다. 이때 거의 타이탄과 크기가 비슷한 프로토 타이탄과 하이페리온보다 큰 중간 크기의 위성이 충돌해 타이탄과 하이페리온이 생성되었을 가능성을 시사하는 대목입니다. 이를 뒷받침하는 증거 중 하나는 타이탄 표면에 크레이터가 거의 없다는 것입니다. 이 역시 대충돌로 새로 지각이 생성되었다고 하면 잘 설명될 수 있는 모습입니다.

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마지막으로 흥미로운 점은 토성의 고리 자체도 이런 충돌의 결과로 생겨났을 수 있다는 것입니다. 토성의 고리는 현재 점점 사라지는 중인데, 소멸되는 정도를 고려하면 사실 생성된지 46억 년이 되지 않고 1억 년 남짓할 가능성도 제기되고 있습니다. 따라서 어쩌면 타이탄과 하이페리온의 프로토타입 위성의 충돌이 없었다면 고리 역시 존재하지 않았을 수 있습니다.

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토성의 고리와 위성을 둘러싼 가장 흥미로운 해석 중 하나인데, 2034년 토성에 도착할 예정인 나사의 드래곤 플라이 탐사선이 타이탄에 대해 많은 정보를 수집하면 이 가설을 검증할 수 있는 더 많은 정보가 얻어질 것으로 기대합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2026-02-saturn-moon-titan-merger-moons.html

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Preprint: Matija Ćuk et al, Origin of Hyperion and Saturn's Rings in A Two-Stage Saturnian System Instability, arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2602.09281

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