일반지구과학및실습Ⅰ 3.1 토성의고리는무엇처럼보이는가 ?

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일반지구과학 및 실습 Ⅰ

1 3 주 차 목 성 형 행 성 - 목 성 형 행 성 의 고 리 -

목성형 행성계의 세 가지 주요 구성 요소는 행성 자체와 위성 그리고 고리이다.

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3 . 목 성 형 행 성 의 고 리

목성형 행성이 지니고 있는

환상적인 모습의 고리는

무엇인가?

3.1 토성의 고리는 무엇처럼 보이는가?

• 소형 망원경으로도 토성의 고리를 볼 수 있지만, 고리의 진짜 본질을 공부하기에는 더 높은 분해능의 망원경이 필요하다

• 고리를 구성하고 있는 작은 알갱의 입자들은 근접 통과한 탐사선조차도 사진으로 담기에 멀고 너무나 작다

고 리 입 자 의 특 징

1) 분광 관측 결과

• 비교적 빛을 잘 반사하는 얼음으로 구성되어 있다.

• 고리는 태양 빛을 차단하고 다시 산란시킬 만큼 충분한 입자들을 포함한 곳으로 밝게 보인다.

2) 간극:

• 태양 빛을 반사시킬 입자가 적은 곳이 간극으로 보인다.

• 개개의 고리 입자들이 케플러 법칙에 따라 독립적으로 토성 주위를 돌고 있다

• 고리들은 무수히 많은 작은 위성과 상당히 유사하다.

• 각 고리 입자들은 서로 꽤 가까워서 자주 충돌한다.

• 고리의 가장 조밀한 부분에서는 각각의 입자들이 몇 시간마다 매번 다른 알갱이와 충돌

• 입자들은 매우 가볍게 충돌

• 꽤 빠른 속도로 공전하고 있음에도 불구하고 주변의 입자들과 운동 속도와 방향이 거의 같기 때문에 충돌하더라도 가볍게 접촉하는 정도이다.

토성의 고리는 먼지 알갱이만한 것부터 바위만한 크기의 수많은 얼음입자로 구성되며, 각각 케플러법칙에 따라 토성을 공전한다

고 리 입 자 의 특 징 ( 입 자 들 의 충 돌 )

• 토성의 고리는 알려진 천문학적 구조물 중 왜 가장 얇은가?

• 직경은 270,000km가 넘지만 두께는 단지 수십 미터일 뿐이다

• 잦은 충돌때문이 이런 현상이 일어난다.

• 충돌이 어떻게 고리를 얇게 유지하는가?

• 하나의 고리입자가 중심부 고리 평면에 대해 약간 경사진 궤도를 돌고 있다

• 고리 평면을 통과할 때마다 다른 입자들과 충돌

• 충돌할 때마다 공전궤도 기울기가 줄어든다

• 오래지 않아 이러한 충돌들이 다른 입자들의 공전궤도 양식을 따르도록 만든다

• 얇은 고리 평면으로부터 벗어나는 입자도 곧 다시 고리 평면 안쪽으로 돌아오게 한다

고 리 와 간 극

고리 내부의 소형 위성들은 고리 구조에 중요한 영향을 미친다

근접 촬영 영상 (카시니):

• 100,000개나 되는 고리, 간극, 잔물결 구조물 및 다른 특징들을 보임

• 고리와 간극은 입자들이 어떤 공전 거리에서 뭉쳐지고 또 다른 곳에서는 강제로 퇴출됨으로써 형성

• 뭉침은 중력이 고리 입자의 궤도를 어떤 특별한 방향으로 조금씩 몰아갈 때 발생

고 리 와 간 극

고리와 간극의 생성원인 1) 간극위성 (양치기위성)

• 고리들 자체의 간극에 위치한 소형 위성들

• 간극 위성의 중력은 간극에서 더 작은 고리 입자들을 효과적으로 제거할 수 있다

• 어떤 경우에는 인접한 두 간극 위성이 입자들이 아주 좁은 고리 속에 머무르도록 만든다

• 입자들을 고리의 경계 내로 몰아가기 때문에 양치기위성이라고 불린다.

2) 멀리있은 위성

• 고리 입자는 더 크고 더 멀리 있는 위성의 중력에 의해 밀려진다

• 미마스위성:

• 토성의 중심에서 약 120,000km 떨어진 궤도의 고리 입자의 공전속도는 미마스 위성 공전속도의 절반

• 미마스가 궤도상의 특정 위치로 돌아올 때마다 고리 입자 역시 원래 위치에 있을 것

• 미마스의 중력에 의해 매번 동일하게 밀릴 것

• 카시니 간극

• 주기적인 밀림이 서로를 보강하고 고리에서 간극을 깨끗하게 한다.

• 반복된 중력적 끌어당김에 기인하는 이러한 유형의 보강은 궤도공명의 다른 예

고리 내부에 있는 간극위성과 토성으로부터 멀리 바깥에 위치한 위성에 의해 야기되는 궤도공명 현상은 우리가 볼 수 있는 고유한 구조들의 대부분을 설명한다

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3.2 목성형 행성에는 왜 고리가 있는가?

4개의 목성형 행성 모두가 고리를 가지고 있다

• 토성의 고리는 다른 행성의 고리계에 비해 매우 많은 수와 반사를 더 잘 일으키는 입자로 구성되어 있음이 밝혀짐

• 4개의 모든 행성에 대해 고리 생성의 기원에 대한 연구가 진행되고 있다

목 성 형 행 성 을 둘 러 싸 고 있 는 고 리 의 기 원

고리입자들은 수십억년씩이나 지속될 수 없기때문에 현재 우리가 볼 수 있는 고리들은 최근에 만들어진 물질들로 이루어져있다

최근의 모형:

• 행성 주변의 조석력은 작은 위성들이 더 큰 위성들에 합쳐지는 것을 막아준다

• 궤도에 진입한 기체원반에서 응결된 바위와 얼음덩어리들이 위성으로 뭉치는 것을 방해

• 고리입자들은 수십억년동안 남아있을 수 없기때문에 어디선가 고리입자의 공급이 일어나야 함

• 작은 위성들은 가끔 충돌에 의해 파괴된다.

• 작은 위성들은 간극위성 정도로 작으며 원반의 궤도를 도는 물질에서 형성됨

• 계속적인 작은 충돌이 있으면 고리에서 먼지 및 파편이 방출된다..

작 은 목 성 형 위 성 들 의 고 리 입 자 형 성

작은 목성형 위성들은 두 가지 방식으로 고리 입자를 형성한다.

• 첫째, 각각의 작은 충돌은 새롭고 먼지 크기만 한 고리 입자들로 대체될 입자들을 방출한다.

• 계속적인 충돌이 일어난다는 것은 고리 입자들 중 일부가 항상 존재한다는 것을 뜻한다.

• 둘째, 가끔 일어나는 큰 충돌은 작은 목성형 위성을 완전히 산산조각 내서 바위 크기만한 고리 입자들을 공급한다.

• 빈번히 일어나는 작은 충돌들은 바위 크기만 한 고리 입자들을 천천히 작은 고리 입자들로 바꾼다.

• 일부는 작은 덩어리를 이루면서 ‘재활용’되고 이후에 분해되는 반면, 나머지 입자들은 먼지로 분해되어 천천히 행성 안으로 나선형을 그리며 들어간다.

• 모든 고리 입자는 궁극적으로 태양계의 탄생 동안에 만들어진 작은 위성들의 점진적인 분해로부터 생긴다

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요 약

참 고 문 헌

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3 . 1 토 성 의 고 리 는 무 엇 처 럼 보 이 는 가 ? 3 . 2 목 성 형 행 성 에 는 왜 고 리 가 있 는 가 ?