토성(土星, 라틴어: Saturnus)은 태양계 내의 행성 중 두 번째로 크며, 태양으로부터 여섯 번째에 있는 행성입니다. 그리고 목성, 천왕성, 해왕성과 함께 목성형 행성에 해당합니다. 토성의 영어 명칭 새턴(Saturn)은 로마의 신 '사투르누스(Saturnus)'에서 기원했습니다. 토요일을 뜻하는 영어단어 Saturday도 여기에서 나왔습니다. 토성은 또한 별칭을 가지고 있는데 그것은 태양계의 보석(Jewel of the Solar System)입니다.
1. 토성의 특징
토성은 질량이 지구의 약 95.1배, 지름이 지구의 9배인 약 12만km로 태양계 행성 중 목성 다음으로 큰 행성입니다. 그러나 토성의 부피는 지구의 760배이기 때문에 밀도는 태양계 내의 모든 천체보다 낮습니다.
토성의 내부는 정확하게 어떻게 되어 있는지 알려지지 않았지만, 목성과 비슷할 것으로 추측합니다. 구체적으로는 암석 물질로 이루어진 핵 위를 수소와 헬륨이 둘러싸고 있을 것으로 생각합니다. 최외곽층 1000km는 기체 수소와 헬륨으로 되어있고, 여러 종류의 물질로 이루어진 얼음들이 소량 포함되어 있습니다. 중심핵 질량은 지구의 9배~22배 정도일 것으로 보입니다. 토성의 중심부는 섭씨 11,700도 정도로 매우 뜨겁고, 태양으로부터 받은 복사열의 2.5배에 달하는 에너지를 우주로 방출합니다. 이 에너지 대부분은 켈빈-헬름홀츠 기구(완만한 중력수축 과정)를 통해 생겨난다고 연구했지만, 토성의 내부열을 모두 설명할 수 없습니다. "네이처 천문학"에 새로운 연구 발표 자료에서는 토성의 핵은 단단한 암석이 아니라 얼음, 바위, 금속성 유체가 섞인 상태라고 합니다.
토성의 대기는 목성과 비슷하여 수소와 헬륨이 대기의 대부분을 차지하는 것으로 보입니다. 수소 93.2퍼센트, 헬륨 6.7퍼센트로 이루어져 있으며, 암모니아, 아세틸렌, 에테인, 인화수소, 메테인 성분이 미량 포함되어 있습니다. 토성은 태양과 약 14억km 떨어져 있어서 대기층의 평균 온도는 목성보다 낮은 섭씨 -145도 정도입니다.
2. 토성의 고리
토성의 고리는 다른 태양계 행성들의 고리에 비해 눈에 잘 보입니다. 1609년 갈릴레오 갈릴레이는 망원경으로 토성을 관찰하다가 토성의 양쪽에 귀 모양의 물체가 보이다가 밤이 깊어지면 없어지는 것을 발견했습니다. 갈릴레이는 약 3년간 토성의 그 두 개의 귀가 보이지 않을 때까지 관측을 반복했습니다. 50년 후 네덜란드의 천문학자 호이겐스가 토성의 그 두 개의 귀에 대한 정체를 밝혀냈습니다. 그것의 정체는 귀가 아니라 고리라 판단하고 3년 뒤 발표합니다. 발표에 의하면 "토성의 양쪽 귀는 엷은 고리입니다. 이 고리는 토성에 붙어 있지 않고 떨어져 있습니다."라는 내용입니다. 그 후 이탈리아의 천문학자 카시니(Jean Dominique Cassini)는 1675년 더 좋은 망원경을 이용해 토성의 고리를 더 자세히 관찰했습니다. 그 결과 토성의 고리가 하나가 아닌 여러 개로 이루어져 있다는 것을 밝혀냈으며, 고리 사이의 검은 선으로 보이는 간격, 즉 '카시니간극(카시니 틈, Cassini division)'을 찾아냈습니다.
토성의 고리를 우주선으로도 관측했습니다. 고리는 수많은 얇은 고리들로 이루어져 있으며, 이 고리들은 레코드판처럼 나열되어 있었습니다. 고리는 적도 면에 있으며, 토성 표면에서 약 7만~14만km까지 존재하며, 다양한 크기의 얼음들로 이루어져 있습니다.
3. 공전 궤도와 자전
토성의 공전 궤도 평균 속도는 9.69km/s이며, 이것은 지구 시간으로 태양을 1회 공전하는 데 10,759일(29.5년)이 걸리는 속도입니다. 궤도 경사각은 지구 공전 면에 대해 2.48도 기울어 있으며, 궤도 이심률은 0.056입니다.
토성은 기체로 이루어진 행성이기 때문에 차등 자전을 합니다. 자전축은 약 27도 기울어 있으며, 기울어 있는 상태로 공전을 하므로 지구처럼 계절이 생기는데, 대략 30년을 주기로 고리의 모양이 바뀌게 됩니다. 고리의 평면이 일치할 떄 지구에서는 토성의 고리가 보이지 않으며, 한 주기에 두 번인 약 15년에 한 번씩 이 현상이 일어납니다.
토성 내부의 물질들의 자전 주기는 정확하게 밝혀지지 않았습니다. 카시니 호는 2004년 토성에 접근하면서 토성의 전파 자전 주기가 10시간 45분 45초(± 36초)로 인식할 수 있는 정도로 느려졌다는 것이 확인되었지만 이런 변화의 이유는 밝혀내지 못했습니다. 후에 변화 원인이 자전 속도 때문이 아니라 전파원이 토성 내부 다른 위도의 이동이나 각기 다른 공전 속도로 행성을 돌기 때문으로 추측했습니다.
2007년 3월 전파방출 자전은 행성의 자전 속도를 따르지 않는다는 것으로 밝혀냈습니다. 측정된 자전 주기 값이 다양한 원인을 토성의 위성 엔셀라두스의 간헐천 활동으로 보고 있습니다. 간헐천 활동으로 토성 궤도 위에 방출된 수증기가 대전 되고 토성의 자기장을 약화시켜서 자기장 자전 속도가 토성 자체 자전 속도보다 조금 느려지게 됩니다. 2007년 토성의 정확한 자전 주기가 발표되었습니다. 보이저 호, 파이오니어 탐사선, 카시니 호가 수집한 데이터들을 분석하여, 토성의 자전 주기는 10시간 32분 35초인 것으로 밝혀냈습니다.
토성 표면에 보이는 구조들은 위도에 따라 다른 속도로 행성을 돌고 있습니다. 속도에 따라서 두 지역으로 나뉩니다. 하나는 계(系) Ⅰ로 '적도 지역(남방 적도대의 북쪽 경계면에서부터 북방 적도대의 남쪽 경계면까지의 부분)'을 가리킵니다. 계 Ⅰ는 공전 주기가 10시간 14분 00초이며, 지구 시간 1일에 844.3도 회전합니다. 다른 하나는 계 Ⅱ로, 적도 지역을 제외한 지역을 말합니다. 계 Ⅱ는 공전주기가 10시간 39분 24초이며, 지구 시간 1일에 810.76도 회전합니다. 그리고 보이저 호 플라이바이 때 새로운 지역인 계 Ⅲ 가 정의되었습니다. 계 Ⅲ은 공전주기가 10시간 39분 22.4초이며, 지구 시간 1일에 810.8도 회전합니다.
토성의 북극(위도 약 77도)에는 육각형으로 회전하는 구름이 있습니다. 이 구름은 "육각형 구름"으로 불리는데, 보이저 호가 1980년대 발견한 후 토성의 공전주기 때문에 관찰할 수 없었다가 약 30년 뒤 카시니 호가 다시 관찰했습니다. 구름은 지구의 두 배 정도 크기에 존재하며, 그 안에 제트류가 초속 약 100m로 회전하는 것으로 추측되었습니다.
4. 토성의 위성
토성은 수많은 위성을 가지고 있습니다. 지금까지 확인된 위성은 145개이며, 공식적으로 이름이 붙여진 위성은 62개입니다. 위성들은 대부분 얼음덩어리로 되어 있으며, 암석이 섞인 것도 있습니다. 토성의 위성 중 가장 큰 위성은 타이탄으로 주로 질소와 메탄으로 구성된 짙은 대기를 보유하고 있는 하나뿐인 위성입니다. 타이탄이 발견되고 1671년~1684년에 이아페투스, 테니스, 디오네 등 몇몇 토성의 위성들을 발견했습니다.