행성의 고리
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1. 개요
행성의 고리는 행성 주위를 도는 먼지, 암석, 얼음 입자 등으로 이루어진 얇고 넓은 띠를 말한다. 고리는 주로 원시 행성계 원반 물질, 위성 파괴 잔해, 조석력에 의해 파괴된 위성 파편으로부터 형성되며, 양치기 위성의 중력에 의해 가장자리가 유지되기도 한다. 태양계에서는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 고리를 가지고 있으며, 토성의 고리가 가장 크고 잘 알려져 있다. 또한, 소행성 카리클로, 키론, 왜행성 하우메아, 콰오아 등에서도 고리가 발견되었으며, 외계 행성에서도 고리의 존재 가능성이 제기되고 있다.
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| 행성의 고리 | |
|---|---|
| 행성 고리 정보 | |
 | |
| 구성 성분 | 먼지 얼음 입자 암석 파편 |
| 모체 | 행성 또는 위성 |
| 주요 고리 (토성 기준) | |
| 주요 고리 | D 고리 C 고리 B 고리 A 고리 F 고리 G 고리 E 고리 |
| 물리적 특성 | |
| 기원 | 파괴된 위성의 잔해 로슈 한계 내에서의 조석력에 의한 파괴 소행성 또는 혜성의 파편 |
| 크기 | 수 미터에서 수백 킬로미터 |
| 두께 | 수 미터에서 수 킬로미터 |
| 밀도 | 매우 낮음 |
| 온도 | 매우 낮음 (구성 물질에 따라 다름) |
| 기타 행성 고리 | |
| 목성 고리 | 희미하고 먼지 입자로 구성 |
| 천왕성 고리 | 가늘고 어두운 고리 |
| 해왕성 고리 | 고리 호(arc) 형태로 불완전 |
| 관련 개념 | |
| 로슈 한계 | 행성의 중력으로 인해 천체가 파괴되는 거리 |
| 조석력 | 행성의 중력이 천체에 미치는 힘 |
| 커크우드 간극 | 고리 내에서 중력적 섭동으로 인해 비어 있는 영역 |
2. 행성 고리의 형성
행성 고리는 행성 주위를 도는 먼지나 작은 입자들로 이루어진 고리 모양의 구조이다. 이러한 고리가 어떻게 형성되는지에 대해서는 몇 가지 가설이 있다.
2. 1. 형성 원인 가설
행성의 고리가 형성되는 원인으로 다음 3가지 가설이 제시되고 있다.
- 행성의 로슈 한계 내에 존재하여 위성으로 합쳐지지 못한 원시 행성계 원반 물질로부터 형성된다는 가설.
- 다른 천체와의 충돌로 파괴된 위성의 잔해로부터 형성된다는 가설.
- 행성의 로슈 한계 내에서 조석력에 의해 파괴된 위성의 잔해로부터 형성된다는 가설.
대부분의 고리는 불안정하여 수천만 년에서 수억 년에 걸쳐 소멸될 것으로 예상되지만, 토성의 고리는 매우 오래되었으며 태양계 초기부터 존재했을 가능성이 있다.[1]
어두운 행성 고리는 행성 주위를 공전하는 위성과의 유성 충돌 결과로 형성될 수 있다. 토성의 E 고리는 얼음 화산 물질의 분출로 형성된다.[2][3]
고리 입자의 조성은 다양하며, 규산염 또는 얼음을 포함하는 먼지로 이루어져 있다. 더 큰 암석이나 거석도 존재할 수 있으며, 2007년 토성의 고리 안에서 직경 수백 미터 크기의 소위성 8개의 조석 효과가 관측되었다. 고리 입자의 최대 크기는 구성 물질의 강도, 밀도, 고도에서의 조석력에 의해 결정된다. 조석력은 고리 반지름 내 평균 밀도, 또는 행성 질량을 고리 반지름의 세제곱으로 나눈 값에 비례하며, 고리 공전 주기의 제곱에 반비례한다.
양치기 위성은 고리의 바깥 가장자리나 틈새에 존재하는 작은 위성이다. 양치기 위성의 중력은 고리 가장자리를 선명하게 유지하며, 궤도에 접근하는 물질은 고리로 튕겨 나가거나, 계에서 방출되거나, 위성에 강착된다.
화성의 위성 포보스는 약 5000만 년 후 파괴되어 고리를 형성할 것으로 예측된다. 포보스의 낮은 궤도는 화성 자전 주기보다 짧은 공전 주기를 가지며, 조석 감속에 의해 붕괴될 것이다.
2. 2. 고리 구성 물질
고리 입자는 규산염 혹은 얼음을 포함하는 먼지로 여겨진다.[1] 더 큰 암석이나 거석이 존재할 가능성도 있다. 2007년에는 토성의 고리 안에서 직경 수백 미터의 8개의 문렛(소위성)으로부터의 조석 효과가 검출되었다. 고리 입자의 최대 크기는 그것을 구성하는 재료의 강도, 밀도, 그리고 그 고도에서의 조석력에 의해 결정된다. 조석력은 고리의 반지름 내의 평균 밀도, 또는 행성의 질량을 고리의 반지름의 세제곱으로 나눈 값에 비례한다. 또한 고리의 공전 주기의 제곱에 반비례한다.3. 태양계 행성의 고리
태양계의 가스 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 모두 고리를 가지고 있다. 목성의 고리는 1979년 보이저 1호에 의해 세 번째로 발견되었고,[4] 토성의 고리는 태양계에서 가장 거대하여 오래전부터 그 존재가 알려져 있었다. 천왕성의 고리는 1977년에 발견되었으며,[10] 해왕성의 고리는 1989년 보이저 2호에 의해 확실하게 발견되었다.
3. 1. 목성의 고리
목성의 고리는 1979년 보이저 1호에 의해 처음 관측되어 세 번째로 발견되었으며[4], 1990년대에 갈릴레오 궤도선에 의해 더욱 자세히 관측되었다[5]。목성의 고리는 "헤일로 고리"로 알려진 두꺼운 토러스, 얇고 비교적 밝은 "주 고리", 2개의 희미한 "거미줄 고리"의 4개의 주요 고리로 이루어져 있으며[6], 이것들은 주로 먼지로 구성되어 있다[4][7]。3. 2. 토성의 고리
토성의 고리는 태양계 행성 중 가장 거대한 고리이므로, 꽤 오래 전부터 그 존재가 알려져 있었다. 갈릴레오 갈릴레이는 1610년에 처음으로 토성의 고리를 관측했지만, 1655년에 크리스티안 호이겐스가 관측하기 전까지는 토성 주위의 원반으로 정확하게 묘사되지 않았다.[8]。그것들은 대부분 물의 얼음과 미량의 암석으로 구성되어 있으며, 입자의 크기는 마이크로미터 단위에서 미터 단위까지 다양하다.[9]
3. 3. 천왕성의 고리
천왕성의 고리는 토성의 광대하고 복잡한 고리와 목성 및 해왕성의 단순한 고리의 중간에 위치한다. 1977년 제임스 L. 엘리엇, 에드워드 W. 던햄, 제시카 밍크가 발견했다.[10] 이후 2005년까지 보이저 2호[11]와 허블 우주 망원경[12] 관측을 통해 총 13개의 고리가 발견되었다. 천왕성의 고리는 대부분 불투명하며, 폭이 수 킬로미터에 불과하다. 또한 어둡고, 물 얼음과 방사선에 의해 생성된 유기 화합물로 구성되어 있을 가능성이 있다. 먼지가 비교적 적은 이유는 천왕성의 확장된 외기권 - 코로나로부터의 공기 저항 때문이다.3. 4. 해왕성의 고리
해왕성의 고리는 다섯 개의 주요 고리로 구성되어 있으며, 가장 밀도가 높은 부분도 토성의 고리 중 밀도가 낮은 영역과 비슷하다. 하지만, 해왕성의 고리는 가늘고 먼지가 많아 목성의 고리와 더 유사하다. 고리를 이루는 매우 어두운 물질은 천왕성의 고리처럼 방사선에 의해 생성된 유기 화합물일 가능성이 있다.[13] 고리의 먼지 함량은 20%~70%로 비교적 높다. 해왕성의 고리는 1989년 보이저 2호에 의해 확실하게 발견되기 수십 년 전부터 관측되어 왔다.4. 소행성, 왜행성, 위성의 고리
토성의 위성 레아와 명왕성은 고리를 가졌을 가능성이 제기되었으나, 각각 카시니와 뉴 호라이즌스 탐사선의 관측 결과 사실이 아닌 것으로 밝혀졌다.[17][18]
켄타우루스족 소행성 카리클로는 고리를 가진 최초의 소행성으로 확인되었고, 키론도 고리를 가졌을 가능성이 있으나 아직 확정되지 않았다. 왜행성 하우메아와 에지워스-카이퍼 벨트 천체 콰오아 역시 고리를 가진 것으로 밝혀졌다.
4. 1. 레아 (위성)
토성의 위성 레아는 2008년 보고서[14][15][16]에서 얇은 고리를 가질 가능성이 제기되어, 고리를 가진 유일한 위성이 될 수 있다는 점에서 주목받았다. 그러나 2010년 카시니 탐사선의 관측 결과, 레아의 고리 예측 특성과 일치하지 않아 고리 가설의 원인이 다른 메커니즘에 있다는 것이 밝혀졌다.[17]4. 2. 카리클로 (소행성)
'''카리클로'''는 켄타우루스족에 분류된 소행성으로, 고리를 가진 것이 발견된 최초의 소행성이다. 두 개의 고리가 존재하며, 이는 아마 충돌이 원인일 것으로 보인다.2013년 6월 3일 남아메리카의 7개 관측소에서 천문학자들이 별 UCAC4 248-108672 앞을 지나가는 카리클로를 관측했을 때 고리가 발견되었다. 관측 중, 엄폐 직전과 직후 별의 밝기에 두 개의 움푹 들어간 곳이 발견되었다. 이 이벤트는 여러 장소에서 관측되었기 때문에, 밝기의 감소는 실제 고리에 의한 것이라는 결론이 만장일치로 유력한 가설이다. 관측에 의해 폭 19km의 고리일 가능성이 높다는 것이 밝혀졌다.
또한, 천문학자들은 파편으로 형성된 고리 안에 위성이 존재할 가능성이 있다고 생각하고 있다. 이 고리가 충돌에 의해 형성된 것이라면, 이는 위성이 더 작은 천체의 충돌에 의해 형성되었다는 생각의 가능성을 높인다.
카리클로의 고리는 정식으로 명명되지 않았지만, 발견자는 브라질의 북단과 남단 근처를 흐르는 두 강에 착안하여 Oiapoque와 Chuí라는 별명을 붙였다[19].
4. 3. 키론 (소행성)
켄타우루스족 소행성 '''키론'''은 두 개의 고리를 가지고 있을 가능성이 제기되었지만[20][21], 2023년 2월 현재 아직 확정되지 않았다[22]。별 엄폐 데이터를 바탕으로, 만약 고리가 존재한다면 반지름은 324(± 10)km로 예측된다. 이는 키론의 혜성과 같은 활동과 관련된 제트의 결과로 처음 해석되었다. 이러한 변화하는 외관은 다른 시야각에서 시간이 지남에 따른 키론의 밝기의 장기적인 변화를 설명할 수 있다[1]。켄타우루스족 소행성은 거대 행성과의 접근 조우(로슈 한계의 0.4~0.8배 이내)로 조석력이 교란되면 주변에 고리가 형성될 수 있다. 켄타우루스족은 그 궤도가 하나 이상의 거대 행성의 궤도와 교차하는 소행성으로 정의된다. 거대 행성에 3~6 km/s의 초기 상대 속도로 접근하는 분화 천체의 경우, 초기 자전 주기가 8시간이면 켄타우루스족 질량의 0.1%~10%가 고리 형성에 관여할 것으로 예측된다. 미분화 천체로부터의 고리 형성은 드물다. 고리는 모천체의 얼음 맨틀로부터의 물질로 대부분 또는 완전히 구성된다. 형성 후, 고리는 횡 방향으로 넓어져 켄타우루스족의 로슈 한계를 넘어 넓어진 부분으로부터 위성이 형성된다. 분열된 얼음 맨틀로부터 위성이 직접 형성될 가능성도 있다. 이러한 형성 메커니즘은 켄타우루스족의 약 10%가 거대 행성과의 접근으로 고리 형성을 경험할 것으로 예측한다[23]。
4. 4. 하우메아 (왜행성)
2017년 1월 21일에 관측된 별가림 현상으로, 왜행성이자 공명해왕성체인 '''하우메아''' 주위에 고리가 발견되었다.[24][25] 고리의 반지름은 약 2287km, 폭은 약 70km, 불투명도는 0.5이다.[25] 고리 면은 하우메아의 적도와 바깥쪽 위성 히이아카[25](궤도 긴반지름 약 25657km})의 궤도와 일치한다. 고리는 하우메아의 자전과 3:1 공명에 가까운 반지름 2285km 지점에 위치한다.[25] 이는 하우메아가 구형일 경우 반지름 약 4400km인 로슈 한계 안에 있다(비구형이면 한계가 더 바깥으로 밀려난다).[25]4. 5. 콰오아 (왜행성)
에지워스-카이퍼 벨트 천체인 '''콰오아'''는 2023년에 매우 멀리 떨어진 고리를 가지고 있는 것이 발견되었다.[26][27] 이 고리는 콰오아 반지름의 7배 이상 떨어진 거리에 위치하며, 이는 이전에 알려진 콰오아의 이론적 로슈 한계 최대값의 2배 이상이다.[26]5. 태양계 외 행성의 고리
태양계의 모든 거대 행성에는 고리가 있기 때문에, 고리를 가진 외계 행성의 존재는 일반적일 것으로 예측된다. 토성의 고리에서 우세한 물질인 얼음 입자는 눈선을 넘어선 행성 주변에만 존재할 수 있지만, 눈선 내에서는 암석 물질로 구성된 고리가 장기적으로 안정될 수 있다.[28] 이러한 고리는 트랜짓법으로 관측된 행성에서, 불투명도가 충분하다면, 중심 별의 빛을 더욱 감소시켜 감지할 수 있다.[29]
5. 1. 외계 행성 고리 탐색
태양계의 모든 거대 행성에는 고리가 있기 때문에, 고리를 가진 외계 행성의 존재는 일반적일 것으로 예측된다. 토성의 고리에서 우세한 물질인 얼음 입자는 눈선을 넘어선 행성 주변에만 존재할 수 있지만, 눈선 내에서는 암석 물질로 구성된 고리가 장기적으로 안정될 수 있다.[28] 이러한 고리는 트랜짓법으로 관측된 행성에서, 불투명도가 충분하다면, 중심 별의 빛을 더욱 감소시켜 감지할 수 있다. 2020년 현재, 외계 행성의 고리 후보가 이 방법으로 HIP 41378 f 부근에서 하나 발견되었다.[29]2008년에 탐지되었을 때, 포말하우트 b는 크고, 가장자리의 정의가 불분명하다는 것이 밝혀졌다. 이것은 원반에서 끌어당겨진 먼지 구름, 또는 고리의 가능성에 의한 것이라고 가정되었지만,[30] 2020년에 포말하우트 b 자체가 행성이 아니라 소행성의 충돌에 의한 확대되는 파편 구름일 가능성이 매우 높다고 판단되었다.[31] 마찬가지로, 프록시마 켄타우리 c는 7지구 질량의 낮은 질량에 비해 예상보다 훨씬 밝게 관측되었으며, 약 5목성 반지름의 크기를 가진 고리에 기인할 수 있다.
2007년에 56일 동안 관측된 항성 1SWASP J140747.93-394542.6의 일련의 엄폐는 1SWASP J140747.93-394542.6 b (J1407b)라고 명명된 (직접 관측되지 않은) 준성천체의 고리의 트랜짓으로 해석되었다. 이 고리의 반지름은 약 9000만 km (토성의 고리의 약 200배)로 추정된다. 보도 자료에서는 "슈퍼 새턴"이라는 용어가 사용되었다. 그러나 이 항성계의 나이는 겨우 약 1600만 년이며, 이 구조가 실제로 존재한다면, 진화된 행성계의 안정된 고리가 아니라 주행성 원반일 가능성이 높다는 것을 시사한다. 고리는 0.4천문 단위의 반지름 거리에서 0.0267천문 단위의 폭의 틈새를 갖는 것으로 관측되었다. 시뮬레이션에 따르면, 이 틈새는 외부 위성의 공명 효과보다는 고리 안에 존재하는 위성의 결과일 가능성이 높다는 것을 시사한다.
5. 2. 고리 후보 천체
HIP 41378 f는 통과법으로 관측된 외계 행성으로, 고리 후보가 발견되었다.[29] 1SWASP J140747.93-394542.6의 엄폐 현상은 1SWASP J140747.93-394542.6 b (J1407b)라는 준성천체의 고리 때문으로 추정되며, 이 고리의 반지름은 약 9000만 km로 추정된다. 보도 자료에서는 "슈퍼 새턴"이라는 별칭이 사용되었다. 그러나 이 천체의 고리는 안정된 고리가 아닌, 주행성 원반일 가능성이 높다.포말하우트 b는 한때 고리를 가졌을 가능성이 제기되었으나, 소행성 충돌로 인한 파편 구름일 가능성이 더 높다.[31] 프록시마 켄타우리 c는 낮은 질량에 비해 밝게 관측되어, 고리를 가졌을 가능성이 제기되었다.
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