같은 거대 가스행성인 목성과 토성의 위성계가 전혀 다른 이유가 자기장이라는 주장이 제기됐다. 목성은 태양계에서 가장 큰 위성 가니메데를 비롯해 대형 위성을 거느렸고, 토성은 타이탄이라는 단일 거대 위성과 자잘한 수많은 위성들을 갖고 있다.
일본 교토대학교는 지난 10일 공식 채널에 조사 보고서를 내고 같은 가스행성인 목성과 토성이 사뭇 다른 위성계를 가진 것은 자기장 때문이라고 전했다.
목성과 토성은 같은 가스행성이라 위성을 거느린 양상도 비슷하다 생각할 수 있지만, 거대 위성의 수나 배치가 전혀 다르다. 각 행성이 탄생한 직후 지표면의 자기장이 영향을 줬을 가능성이 교토대학교 컴퓨터 시뮬레이션 결과 밝혀졌다.
목성과 토성의 위성은 계속해서 발견되고 있다. 목성의 경우 2025년 기준으로 위성이 97개였다가 이달 11일 관측 결과 총 115개로 집계됐다.
이오(지름 약 3643 ㎞)와 유로파(지름 약 3120 ㎞), 가니메데(지름 약 5260 ㎞), 칼리스토(직경 4,820㎞) 등 목성의 주된 위성을 갈릴레이 위성이라 부른다. 질량이 커서 목성 바로 근처를 돌고 있다. 가니메데는 태양계에서 가장 큰 위성으로, 행성인 수성보다 크다.
토성의 위성은 목성보다 많다. 일본 국립천문대(NAOJ)가 이달 10일 낸 보고서에 따르면 목성보다 훨씬 많은 290개 이상이다. 목성과 달리 모든 위성의 질량 중 95%가 타이탄(지름 약 5150㎞) 하나에 쏠렸다. 타이탄은 태양계에서 가메니데에 이어 두 번째로 큰 위성으로, 짙은 대기를 가졌고 갈릴레이 위성과 달리 토성으로부터 아주 머나먼 궤도를 돈다.
거대 위성이 어떻게 탄생하는지 이해하려면, 행성 탄생 과정을 먼저 알아야 한다. 가스행성이 형성될 때 그 주변에 가스와 먼지, 소행성 충돌 파편으로 이뤄진 행성계원반이 생겨난다. 위성은 이 원반 안에서 재료를 모으며 성장하고, 결국 행성 주위를 도는 천체가 된다.
교토대 행성과학자 후지이 유리 박사는 “위성의 특성은 이 원반의 구조에 크게 좌우되며, 원반의 구조는 행성의 밀도, 온도, 질량의 영향을 받는다”며 “행성의 자기장도 그 구조를 좌우하는 중요한 요소지만 기존 위성 형성 모델에서는 그 영향이 간과됐다”고 지적했다.
이어 “목성과 토성 양쪽 위성계를 동일한 물리법칙으로 설명할 수 있는 모델을 구축하고, 목성과 토성이 탄생한 직후 내부 구조를 시뮬레이션했다”며 “각 자기장 강도가 어떻게 변하는지 추적했더니 학계가 놓쳤던 사실이 드러났다”고 설명했다.
시뮬레이션 결과, 행성 내부에서는 목성과 토성의 자기장 강도 차이가 몇 배 정도였지만, 행성 표면에서는 목성이 토성보다 약 100배 강한 자기장을 가졌음이 밝혀졌다. 연구팀이 NAOJ의 장비를 이용, 이 자기장의 차이가 행성계원반의 구조와 위성 형성에 주는 영향을 알아보자 목성과 토성의 위성계 차이를 만든 메커니즘이 확인됐다.
후지이 유리 박사는 “자기장이 강한 목성에서는 자기력선을 따라 가스가 행성으로 흘러 들어가는 자기권 강착 현상이 일어났다”며 “이로 인해 행성 근처의 가스가 날아가고, 도넛 모양의 틈이 원반 안쪽에 형성됐다. 여기서 성장한 위성은 중력의 영향을 받으며 점차 목성에 가까워지는데, 틈 앞에서 막혀 안쪽으로 떨어지지 않게 되면서 여러 대형 위성이 원반의 안쪽에서 안정된 궤도를 유지한 것”이라고 말했다.
박사는 “반면 자기장이 약한 토성에서는 자기권 강착이 없었고, 틈도 형성되지 않았다”며 “토성 근처에서 탄생한 위성은 막아줄 것이 전혀 없었기 때문에 그대로 토성으로 떨어졌다. 살아남은 대형 위성은 토성에서 충분히 떨어진 곳에서 성장한 타이탄뿐”이라고 덧붙였다.
정이안 기자 anglee@sputnik.kr
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