토성은 아름다운 고리와 유일하게 대기를 가진 위성을 거느린 행성으로 토성은 목성과 모든 면에서 아주 비슷하지만 아름다운 고리로 사람들을 놀라게 한다. 토성에 대한 연구는 1610년 갈릴레이에 의해 본격적으로 시작되었으며 그는 처음에 토성의 고리를 보고 이것을 '토성의 귀 또는 손잡이'라고 부르기도 했다. 그러나 훗날 그가 죽은 뒤 50년 후인 1659년 네덜란드의 천문학자인 호이겐스(Huygens)에 의해 그것이 고리라는 것이 밝혀지고 최근의 보이저가 관측할 때까지는 너무 희미해서 상세하게 알 수는 없었다. 토성의 신비는 태양계 탐사 우주선 보이저 1,2호에 의해 낱낱이 밝혀졌는데 지금까지 밝혀진 토성의 위성은 22개이며 그 가운데 타이탄은 발견 역사가 가장 오래됐고 다른 태양계 위성 중에서는 볼 수 없는 짙은 대기로 감싸여 있다. 토성은 초 9.7km속도로 태양계를 일주하는 데 지구 시간으로 꼬박 29.6년이나 걸린다.
성질과 성분
토성의 질량은 지구의 약 95.1배이며 지름은 9배로 12만 km가량으로서 크기와 질량에서 목성 다음으로 태양계에서 큰 행성이다. 또한 부피로는 750배나 되는 토성은 밀도는 태양계 내의 모든 천체뿐만 아니라 물보다도 작아 띄울만한 바다만 있다면 띄울 수 있을 정도다. 토성의 대기는 목성과 마찬가지로 수소와 헬륨이 주류를 이루고 약간의 메탄과 암모니아가 첨가되어 있으며 토성의 표면온도는 섭씨 영하 180℃를 기록하고 있다. 토성의 온도가 낮은 이유는 태양과 너무 멀리 떨어져 있기 때문으로 지구가 태양으로부터 받는 열량의 100분의 1밖에 받지 못한다. 이 추위 때문에 토성에서는 암모니아는 물론 메탄 등이 결빙해 고체 형태로 존재해서 토성 상공 1,000km아래는 수증기와 암모니아 구름이 공존하고 있으며 대기의 유동 속도가 커서 적도에서는 시속 1,800km의 강풍이 사납기 휘몰아치고 있다. 토성의 공존주기는 29.6년이 걸리지만 자전속도는 엄청나게 빨라 낮과 밤의 총 길이는 10시간 40분으로 토성의 하루는 지구의 한나절밖에 되지 않는다. 토성은 태양계 행성 가운데 매우 멀리 있는데도 밝은 빛으로 빛나며 수성보다도 밝은 빛을 낸다.
토성의 양쪽귀(고리)
1609년 갈릴레이는 망원경으로 토성을 관찰하다가 말로는 설명할 수 없는 현상을 목격했다. 즉, 갈릴레이는 토성의 양쪽에 귀 모양의 괴상한 물체가 붙어 있다가 밤이 깊어지면 차츰 사라지는 것을 발견했다. 갈릴레이는 이 때부터 약 3년 동안 토성의 두 개의 귀가 보이지 않을 때까지 관측을 계속했다. 그로부터 50년 뒤 네덜란드의 천문학자 호이겐스가 토성의 '양쪽의 귀'의 실체를 정확히 밝혀냈다. 호이겐스는 원래 광학 연구가였다. 어느 날 그는 어둠 속에서 망원경을 들여다 보다 말고 혼잣말처럼 중얼거렸다. "토성의 '양쪽의 귀'는 고리임이 틀림없다. 그런데 이 사실을 누군가 알면 어떡한단 말인가!" 호이겐스는 이 사실이 세상에 알려지는 것이 두려워 일단 노트에 암호로 표시해 두었다. 이 내용은 그 당시로는 너무나 엉뚱하여 그가 미친 사람으로 취급당할 것은 뻔한 일이었기 때문이다. 그러나 호이겐스는 이 엄청난 정보를 혼자만 알고 있을 수 없어 3년 뒤에 발표하고야 말았다. "토성의 양쪽 귀는 엷은 고리이다. 이 고리는 토성에 붙어 있지 않고 떨어져 있다." 호이겐스가 이러한 내용을 설명한 자리에 있었던 사람들은 모두 놀라고 말았다. 1675년 이탈리아의 천문학자 카시니는 더 좋은 망원경을 이용해 토성의 고리를 자세히 관찰하여 토성의 고리가 하나가 아니라 여러 개로 이루어져 있다는 것을 알아냈다. 또한 그는 고리의 안과 밖을 구분 짓는 검은 선을 찾아냈으며 이 검은 선이 저 유명한 '카시니의 간극'이다.
우주선을 파견해 밝힌 토성의 고리 수는 1만 개가 넘은 것으로 추정하고 있다. 토성의 고리들은 레코드판처럼 곱게 장식돼 있다. 고리의 순서는 물질에 의해 결정된다. 실제로 보이저 1호는 토성의 고리를 뚫고 통과하는 데 성공했으며 토성의 고리를 통과할 때 고리의 물질들과 부딪히며 내는 소리를 지구로 보내왔다. 상술이 뛰어난 미국의 한 레코드 제작 회사가 토성의 고리가 내는 소리를 담은 '보이저의 교향곡'음반을 내놓아 인기를 모으기도 했다. 이 음반의 작곡가는 당연히 '보이저 1호'였다. 과학자들은 보이저호가 토성의 고리를 꿰뚫고 지나갈 때 우주선의 부품들이 부서지지나 않을까 은근히 걱정을 하기도 했다. 그러나 보이저호가 토성 고리를 통과할 때는 비행기가 마치 구름 속을 뚫고 지나가듯이 아무런 일도 없었다. 토성의 고리는 적도면에 자리잡고 있으며 토성 표면에서 7만 14만 km까지 뻗쳐 있다. 그래서 토성의 고리 두께는 약 7만 km에 이른다. 한 개의 작은 고리 두께는 9 50m에 불과하다. 토성의 고리 표면은 수근 알갱이 만한 것에서부터 기차 크기 만한 얼음들이 널려 있어 얼음 조각 작품의 전시장을 방불케 한다. 많은 천문학자들은 토성이 생성된 뒤 남은 물질이 토성 주변을 떠돌아다니는 것이 고리라고 추측하고 있다. 한편 일부 천문학자들은 토성의 고리 탄생설에 대하여 토성의 강한 중력을 못 이겨 산산조각이 난 달의 찌꺼기들이 토성 둘레를 도는 것이라고 주장한다. 휘황찬란한 테를 두른 토성의 고리는 태양의 시샘 때문에 지구촌에서는 통째로 볼 수 없고 남쪽 또는 북쪽의 일부분만을 보게 되는 것이 고작이다.
토성의 위성
토성은 태양계에서 출산율 1위를 자랑하는 행성이다. 최근 자료를 따르면 토성의 2세는 무려 22개나 된다. 토성의 달들은 수도 많지만 토성 주위를 자동차 경주하듯 정신없이 질주한다. 또 한쪽에서는 끈에 매달린 채 반주에 맞춰 춤사위를 펼치는 등 다양한 모습을 하고 있어 매우 인상적이다. 이 달들은 모두 얼음 덩어리로 이루어져 있다. 그리고 일부는 암석도 군데군데 섞여 있다. 토성에는 원래 서너 개의 달이 있었다. 그런데 상당수의 달은 화성과 목성 사이에 널려 있는 소행성들이 서로 부딪혀 우주로 퉁겨 나가다가 토성의 팔에 붙잡혀 온 실향민들이다. 이들이 나중에 토성의 양자가 되었다. 토성의 달은 1659년에 처음으로 발견되었다. 이 해는 호이겐스에 의해 토성의 고리가 발견된 해이기도 하다. 이 달은 200년 뒤 로마 신화의 새턴(토성의 신 이름)과 친인척 관계인 타이탄이라고 불렀다.
타이탄은 크기 5150km, 질량 1.35*1023으로,태양계 위성 중 목성의 가니메데 다음으로 큰 위성이다. 타이탄은 표면 중력이 작음에도 불구하고 온도가 낮아 대기를 가지고 있고, 1944년 천문학자 카이퍼는 대기에 메탄이 포함되어 있다는 것을 발견했다.(오른쪽 2번째 그림은 타이탄을 태양 반대편에서 비스듬히 본 사진으로 밝은 부분이 태양빛을 받는 부분이며, 보라색을 띠는 것이 타이탄의 대기이다.)
타이탄이 발견된 후 카시니는 1671년부터 1684년 사이에 이아페투스, 테티스, 디오네 들 토성의 네 달을 발견해 토성 연구에 큰 공을 세웠다. 카시니가 발견한 달들은 목성의 가장 작은 달 에우로파보다 훨씬 작은 것들이었다. 이 가운데 이아페투스의 지름은 1440km이고 가장 작은 테티스는 1040km에 이르렀다. 이아페투스는 불가사의한 표면을 가지고 있다. 토성의 다른 달보다 10~15배 이상 밝은 이아페투스의 땅은 온통 밝은 색 일색이 아니고 밝은 곳은 눈처럼 희고 어두운 쪽은 숯검댕이를 연상케한다. 보이저 1호는 이아페투스의 두 얼굴 가운데 밝은 쪽의 얼음으로 덮여 있고 어두운 쪽은 먼지 집합소라는 사실을 밝혀냈다. 디오네의 지름이 약 1120km이며 거미줄 무늬로 수를 놓았다. 토성에서 38만 7000km위치에 자리잡고 있는데 약 2.7일 주기로 토성을 한 바퀴 돈다.
19세기말에는 토성의 달 아홉 개가 세상의 알려졌다. 아홉 번째 포에베는 1898년 미국 천문학자 피커링에 의해 세상에 처음 공개됐다. 이 포에베는 토성의 다른 달과 정반대 방향으로 회전해 천문학자들의 관심을 독차지하고 있다. 포에베는 토성의 달 가운데 가장 멀리 떨어져 있어 토성으로부터의 평균거리가 1280만 km나 된다. 포에베가 토성을 공전하는데는 549일이 걸린다. 가장 길쭉한 부위의 지름이 320km이다. 이 달의 얼굴 색깔은 짙은 갈색과 어두운 적색이 조화를 이룬다. 토성의 달에는 분화구가 많은 것이 특징이다. 토성의 달 가운데 미마스는 큰 분화구를 가지고 있어 주목을 끈다. 이 분화구는 미마스 면적의 4분의 1정도를 차지해 겁을 주기도 한다. 얼음 투성이인 이 곳에는 깊은 죽음의 계곡 크레바스가 발달돼있다. 토성의 아들 엔켈라두스는 비교적 매끈한 몸매를 지니고 있다. 지름이 500km안팎인 이 작은 달은 토성으로부터 23만 8000km떨어져 있으며 여기에는 밝고 평평한 분지가 있다. 이 분지는 얼음이 녹아 생긴 것이라고 보는 과학자들이 있다. 이 신비의 우주는 허셜이 1898년에 발견했다. 한편 하이페리온은 넓은 우주 바다에 떠 있는 한 점 외딴 섬이다. 이 하이페리온의 지름은 112km로 지구 질량의 0.0008배이다. 마치 화성의 달처럼 생긴 이 하이페리온은 약 21일 마다 한번씩 토성 궤도를 돈다.1967년 프랑스 천문학자 돌푸스는 미마스의 궤도 안쪽에서 토성의 숨겨진 아들 야누스를 발견했다. 그 뒤 토성에 간 우주선들은 수많은 작은 달들을 찾는데 성공했다. 그 가운데는 토성에서 13만 6000km거리에 위치해 미마스보다 토성에 더 가까이 있는 것도 있다.