우리은하에서 목성과 토성은 대표적인 가스 행성입니다. 우주의 거대 가스 행성인 목성과 토성은 그 크기만큼이나 빠르게 자전하는 특성을 가지고 있습니다. 목성은 약 10시간, 토성은 약 10시간 30분이라는 짧은 시간 안에 자전을 완료합니다. 지구의 자전속도인 24시간에 비하면 정말 빠른 속도인데요, 하지만 이들 행성은 단단한 표면이 없어 지구처럼 특정 지점을 기준으로 자전 속도를 쉽게 측정할 수 없습니다. 그렇다면 천문학자들은 어떻게 목성과 토성의 정확한 자전 속도를 계산할 수 있을까요? 이 글에서는 가스 행성의 자전 속도를 측정하는 데 사용되는 방법들, 그 역사, 과학적 원리, 그리고 실제 탐사선 사례까지 자세히 살펴보겠습니다.
표면이 없는 가스 행성, 어떻게 자전 속도를 재나?
지구, 화성, 금성과 같은 암석형 행성은 자전 속도를 측정하기가 비교적 쉽습니다. 고정된 지형이나 표면 구조물을 관측해 시간의 변화에 따라 위치 이동을 분석하면 자전 주기를 정밀하게 계산할 수 있습니다. 하지만 목성과 토성은 수소와 헬륨으로 이루어진 두꺼운 가스층으로 덮인 가스 행성입니다. 이들 행성은 고체 표면이 없고, 대기의 흐름도 고정되어 있지 않기 때문에, 지구와 같은 방식으로는 자전 속도를 측정할 수 없습니다.
가장 초기에는 목성과 토성의 대기 패턴, 예를 들어 줄무늬나 폭풍(대표적으로 목성의 대적점)을 기준으로 자전 주기를 추정했습니다. 대기의 흐름을 통해 자전 속도를 유추하는 방식은 직관적이지만, 가스 행성은 위도에 따라 회전 속도가 다르며, 심지어 시간에 따라도 변화가 생길 수 있습니다. 이러한 차등 자전(Differential Rotation) 현상은 대기 자체가 유동적이기 때문에 고정된 기준점을 제공하지 못한다는 한계가 있습니다.
자기장 관측으로 자전 속도를 추정한다
목성과 토성은 강력한 자기장을 가지고 있으며, 이는 자전 속도를 계산하는 데 매우 유용한 단서를 제공합니다. 자기장은 행성의 내부에서 생성되며, 행성이 회전함에 따라 함께 회전합니다. 따라서 행성 자기장의 회전 주기를 추적하면, 곧 내부 자전 속도를 알아낼 수 있는 것입니다.
미국 항공우주국(NASA)의 보이저 1호와 2호는 1979~1980년대 초 목성과 토성을 근접 통과하면서 라디오파를 분석해 이 행성들의 자기장 회전 주기를 측정했습니다. 이때 측정된 라디오 방출 주파수의 주기성은 곧 자기장이 한 바퀴 도는 시간, 즉 행성 내부의 자전 속도를 의미합니다. 목성의 경우, 자기장 기반 측정으로 9시간 55분 30초라는 자전 주기가 확인되었고, 이는 현재까지도 크게 변하지 않았습니다.
중력장과 내부 진동으로 자전 속도 정밀 측정
가스 행성의 내부 자전 속도를 측정하기 위해 과학자들은 최근엔 중력장과 내부 진동 패턴을 분석하는 방식까지 발전시켜 사용하고 있습니다. 목성과 토성은 단순한 구형이 아니라 자전 때문에 적도가 팽창한 타원형 구조를 가지고 있으며, 이 형상의 정도는 자전 속도에 직접적인 영향을 받습니다.
카시니 탐사선은 토성 궤도를 돌며 중력장을 정밀 측정한 데이터를 수집했습니다. 과학자들은 이 데이터를 바탕으로 토성 내부 구조 모델을 만들고, 그에 따른 질량 분포와 회전 운동의 관계를 분석했습니다. 중력장에 따라 토성의 내부 밀도와 회전 패턴이 바뀌기 때문에, 정밀한 모델링이 이루어지면 자전 주기를 역산할 수 있습니다. 이를 통해 2019년 발표된 연구에 따르면, 토성의 자전 주기는 약 10시간 33분 38초로 재계산되었습니다.
한편, 행성 내부에서 발생하는 자기 중력 진동(행성 진동학)도 중요한 단서입니다. 목성과 토성 내부에서 발생하는 진동은 가스층과 핵 사이를 통해 퍼지며, 이로 인해 중력장이 주기적으로 변하게 됩니다. 이러한 변화는 토성의 고리에도 영향을 미치며, 고리에 생기는 파동(중력파 패턴)을 분석하면 내부 진동 주기를 추정할 수 있습니다.
결론
목성과 토성은 거대한 대기층과 복잡한 내부 구조를 가진 가스 행성으로, 자전 속도 측정에 있어 지구와는 전혀 다른 과학적 접근이 필요합니다. 초기에는 대기 패턴을 통해 자전 주기를 추정했지만, 현재는 자기장 분석, 중력장 모델링, 고리 진동 해석 등 다양한 정밀 기술이 동원되고 있습니다. 이러한 연구는 단지 회전 속도를 아는 데 그치지 않고, 행성의 내부 구조와 형성 과정, 자기장 생성 메커니즘까지 규명하는 데 중요한 실마리를 제공합니다.