목성, 천왕성, 해왕성, 화성에 이어 이제는 토성이다

목성(제임스 웹, 목성을 자세히 관측하다), 천왕성(제임스 웹, 천왕성을 자세히 관측하다), 해왕성(제임스 웹, 해왕성을 자세히 관측하다), 화성(제임스 웹, 화성을 자세히 관측하다)에 이어, 이번엔 토성이다. 사실 제임스 웹은 토성의 관측 결과 공개 이전에, 토성의 위성 타이탄(제임스 웹, 토성의 위성 타이탄을 자세히 관측하다)과 엔셀라두스(제임스 웹, 토성의 달 엔셀라두스에서 수증기 기둥을 관측하다)의 관측을 먼저 공개한 적이 있다.

2023년 6월 25일, NASA의 제임스 웹 우주망원경팀은 토성의 첫 근적외선 관측을 수행하기 시작했다. 태양계에서 가장 아름다우며, 가장 인기있는 행성 중 하나인 고리형 행성 토성을 관측한다는 사실만으로도 이미 대중을 크게 흥분시켰는데, 제임스 웹의 근적외선 카메라(NIRCam)가 촬영한 초기 이미지의 공개는 탄성을 자아내기에 충분했다. 위 관측은 영국 레스터 대학교의 레이 플레처 교수(Prof. Leigh Fletcher)가 제안한 Guaranteed Time Observation 프로그램의 일환으로 수행되었다. 특히,위 관측 프로그램은 현재 토성 시스템의 진화와 과거 역사에 대한 중요한 단서를 얻기 위해서 토성 주변의 희미한 위성과 밝은 고리를 감지하는 목적으로 시작되었으며 이를 촬영하기 위한 장시간 노출이 여러 번 포함되었다.

NASA의 파이오니어 11호, 보이저 1, 2호, 카시니 우주선, 허블 우주망원경과 같은 탐사선은 수십 년 동안 토성의 대기와 고리를 추적해 왔다, 하지만, 적외선으로 관측한 토성은 매우 신비롭다. 적외선 파장에서는 메탄 가스가 대기에 도달하는 대부분의 태양빛을 흡수하기 때문에 토성 자체가 극도로 어둡게 보인다. 하지만 얼음 고리는 상대적으로 밝게 유지되어 지금까지 우리가 관측하던 토성의 이미지와는 사뭇달라보인다.

제임스 웹, 토성의 고리 시스템 내부를 자세히 보여주다

제임스 웹 우주망원경의 새로운 토성 이미지는 토성의 대표 위성인 디오네, 엔셀라두스, 테티스와 함께 토성의 고리 시스템 내부를 정확하게 보여주고 있다. 토성의 고리는 암석 및 얼음 조각으로 이루어져 있으며, 입자의 크기는 모래알보다 작은크기부터 수 km에 이르기까지 매우 다양하다. 특히, 최근 제임스 웹이 엔셀라두스를 관측하며 위성의 남극에서 입자와 다량의 수증기를 모두 포함하는 거대한 기둥이 분출되는 것을 발견했는데 (관련기사 바로가기 - "제임스 웹, 토성의 달 엔셀라두스에서 수증기 기둥을 관측하다"), 이를 통해서 엔셀라두스가 토성 주위를 돌며 엄청난 양의 물을 뿜어내며 토성과 그 고리 시스템 (특히 E 링)에 물을 직접 공급하고 있다는 점이 밝혀졌다. 연구팀은 더 장시간의 노출을 이용하여 얇은 G 고리와 넓은 E 고리를 자세히 조사했으며 이는 곧 연구 논문과 함께 대중에 공개될 예정이다.

근적외선에서 토성의 대기가 이렇게 선명하게 관측된 것은 처음이다

이미 토성에 매우 가까이 다가갔던 카시니 우주선이 토성의 대기를 더 선명하게 관측한 바 있지만, 제임스 웹의 특정 파장 (3.23 마이크로미터)에서 토성의 대기가 이렇게 선명하게 관측된 것은 이번이 처음이다. 특이한점은 위 사진에서 일반적으로 토성의 더 깊은 대기층에서 발견되는 줄무늬 모양이 없다는 점이다. 이는 토성 북반구의 크고 어두우며 넓게 퍼져있는 구조가 행성의 위도선을 따르지 않기 때문으로 파악된다. 또한, 목성의 근적외선 관측을 통해서 나타난 성층권 에어로졸의 대규모 순환 패턴과 유사해보인다.

토성의 북극과 남극을 비교하면 토성의 계절적 변화에서 나타나는 변화를 관찰할 수 있다. 예를 들어, 현재 토성의 북반구는 겨울을 보내고 있으며 남반구는 겨울이 끝나가고 있다. 특히, 토성의 북극은 더 어두운것으로 파악되는데, 이는 토성의 계절적 변화가 극지방 에어로졸에 영향을 미치고 있기 때문으로 추측되고 있다. 이를 파악하기 위해서 제임스 웹의 분광 관측이 진행 될 전망이다. 제임스 웹 팀에 따르면 높은 고도의 메탄 상호작용이나 전리층의 삼수소 이온(H3+)의 방출등을 확인할 예정이다.