▲ 가까이 다가간 위성이 파괴된 직후 큰 얼음 입자들이 주변에 남은 토성의 상상도. 

토성을 상징하는 존재는 역시 거대한 고리다. 하지만 사실 이 거대한 고리는 토성보다 훨씬 젊다. 과학자들은 현재 고리 입자가 소실되는 속도를 분석해 고리가 토성만큼 오랜 역사를 가진 것이 아니라 약 1억에서 2억 년 전에 생성되었다는 결론을 얻었다.

현재 고리 생성의 가장 유력한 가설은 약 1억~2억 년 전 토성 주변을 돌던 거대한 얼음 위성이 파괴되면서 고리가 생겼다는 것이다. 이 가상의 위성은 ‘크리살리스(Chrysalis)’라고 불리는데, 지난 몇 년 간 그 존재를 뒷받침할 증거들이 나오면서 활발한 연구가 진행되고 있다. 최근 미국과 중국 과학자 팀은 제57회 달 및 행성 과학 학회(LPSC)에서 이 사라진 위성에 대한 최신 연구 결과를 공개했다.

연구팀은 크리살리스가 토성의 또 다른 큰 얼음 위성인 이아페투스(지름 약 1469㎞)와 비슷한 크기의 위성으로, 물과 얼음, 암석이 층을 이루어 분화되어 있었다고 가정했다. 연구팀은 크리살리스의 얼음 함량이 토성의 다른 위성인 디오네(50%)나 이아페투스(80%)와 비슷하다고 가정하고 두 가지 모델로 고리 생성 시뮬레이션을 수행했다.

시뮬레이션을 결과 크리살리스는 매우 긴 타원 궤도를 돌다가 토성 근처로 접근할 때 강한 조석력에 의해 위성이 부서지는 ‘조석 박리’(Tidal Stripping) 현상에 의해 파괴됐다. 파괴된 위성의 물질은 암석 핵을 포함해 대부분이 토성에 흡수되었지만, 일부 얼음 입자들은 살아남은 후 토성 주위로 흩어지며 현재의 고리를 형성했다. 이 시뮬레이션 결과는 토성 고리가 거의 순수한 얼음으로 이루어진 이유를 잘 설명해 준다. 크리살리스가 토성에 근접할 때, 얼음은 쉽게 벗겨져 나갔지만 밀도가 높은 암석은 위성 내부에 남았기 때문이다.

시뮬레이션에서 나타난 또 다른 흥미로운 사실은 고리가 과거에는 훨씬 컸다는 점이다. 연구팀은 토성의 거대 위성인 타이탄 등의 중력 섭동으로 인해 고리 물질의 최대 70%가 현재까지 소실되었을 것으로 추정했다. 따라서 1억 년 전 과거에는 현재보다 몇 배 큰 고리가 존재했을 가능성이 크다.

크리살리스의 파괴로 생성된 고리는 시간이 지남에 따라 점차 얇아지고 있다. 토성의 얼음 위성 엔셀라두스에서 얼음 입자를 분출하면서 고리 물질을 약간씩 보충해줘도 먼 미래에는 토성 역시 태양계 다른 가스 행성들처럼 작은 고리만 남게 될 것으로 보인다.

이번 연구는 토성만이 아니라 우리 은하의 다른 행성계를 이해하는 데에도 중요한 시사점을 준다. 지구에서 약 434광년 떨어진 곳에 있는 J1407b(일명 슈퍼 토성)같은 외계 행성들은 토성보다 200배에 달하는 거대한 고리 시스템을 가지고 있는 것으로 추정된다. 이는 위성이 파괴된 직후의 모습을 보여주는 ‘아직 식지 않은’ 고리의 예시일 수 있다는 게 연구팀의 해석이다.

토성의 고리가 잃어버린 위성 크리살리스의 파괴로 인해 탄생했다는 가설은, 우주의 다른 곳에서도 거대한 고리가 어떻게 만들어지고 소멸하는지에 대한 단서를 제공한다. 과학자들은 외계 행성들의 고리 관측을 통해 행성 고리의 기원과 진화에 대한 더 명확한 그림을 그려낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.