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(Artist's illustration of how Saturn's rings might have formed from an ancient moon being ripped apart when it orbited too close. Credit: B. Militzer and NASA)
토성을 상징하는 이미지는 거대한 고리입니다. 하지만 과학자들은 현재의 고리 입자 소실 속도를 토대로 볼때 고리의 나이가 많긴 해도 토성만큼 오래되지 않았을 것으로 보고 있습니다. 아마도 토성의 고리는 1–2억 년 전에 생산된 것으로 보입니다.
하지만 고리의 생성 시기와 달리 대체 어떻게 생겼는지는 과학자들 사이에서도 큰 논쟁거리 중 하나입니다. 현재 대표적인 가설은 아마도 1-2억 년 전쯤 토성의 얼음 위성이 충돌 혹은 파괴되면서 현재의 고리가 생겨났다는 것입니다.
이 가상의 위성은 크리살리스 (Chrysalis)로 불리는데, 이 위성이 실제로 존재했는지와 왜 파괴되었는지는 아직 미스터리입니다. 미국과 중국 과학자 팀은 제57회 달 및 행성 과학 학회 (57th Lunar and Planetary Science Conference)에서 크리살리스에 대한 최신 연구 결과를 발표했습니다.
연구팀의 시뮬레이션에 따르몀 크리살라스는 토성의 위성 이아페투스와 비슷한 크기입니다. 참고로 이아페투스의 지름은 약 1,469km(913마일)입니다.
연구팀은 크리살리스의 내부는 물과 얼음, 암석이 섞인 층상 구조로 이루어져 있다고 가정하고 시뮬레이션을 시행했습니다. 그리고 구성 성분 가운데 얼음의 함량은 가장 비슷할 것으로 보이는 위성인 디오네와 이아페투스의 얼음 함량인 각각 50%와 80%인 두 가지 모델을 사용했습니다.
연구팀에 따르면 크리살리스는 매우 긴 타원형 궤도를 따라 공전합니다. 시뮬레이션에서는 가장 먼 거리에서는 토성 반지름의 약 200배, 가장 가까운 거리에서는 1~1.5배 거리까지 근접하는 것으로 모델링되었습니다.
참고로 토성 반지름의 1-1.5배는 로슈 한계 (Roche limit) 안쪽입니다. 로슈 한계란 행성의 중력에 의해 위성이 부서지는 위치로 행성의 중력이 위성에서 먼 곳과 가까운 곳에서 서로 다르게 접아당겨지면서 결국 잡아당기는 현상이 일어나기 때문에 생기는 일입니다.
(How Saturn Got Its Rings | The Planets | BBC Earth Science)
크리살리스는 초기에는 타원 궤도를 돌았기 때문에 바로 부서지진 않았겠지만, 시간이 지나면서 스트레스가 누적되어 결국 위성이 쪼개진 것으로 생각됩니다. 연구팀은 크리살리스의 질량 중 최대 99%는 토성에 흡수되었고, 나머지 1% 정도(주로 얼음 물질)가 현재의 토성 고리를 형성한 것으로 보고 있습니다. 엔셀라두스 같은 다른 위성에서 얼음이 간헐천을 통해 조금씩 보충되곤 있지만, 결국은 사라지는 속도가 더 빨라 언젠가는 지금 같은 고리는 보이지 않을 수도 있습니다.
다른 한편으로 과학자들은 이번 연구가 외계 행성을 이해하는데도 도움이 될 것으로 보고 있습니다.예를 들어 지구에서 약 434광년 떨어진 J1407b(일명 "슈퍼 토성")를 포함하여 여러 외계 행성이 고리 시스템을 가질 가능성이 있는 것으로 보이는데, 이 행성의 고리 시스템은 토성보다 200배 더 큰 것으로 추정됩니다. 아마도 위성 파괴 후 얼마 지나지 않은 시점일 수 있는 셈입니다.
흥미로운 연구 결과인데, 앞으로 외계 행성에서 진짜 거대한 고리 시스템을 발견할 수 있을지 주목됩니다.
참고
https://phys.org/news/2026-05-saturn-icy-lost-moon-chrysalis.html
Tidal stripping of Chrysalis as the origin of Saturn's young icy rings. www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2026/pdf/1132.pdf
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