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행성의 고리 형성, 로슈 한계

by 시그니처35 2024. 3. 5.
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행성의 고리는 평평한 디스크 형태로 되어 있는 영역 내에서 행성 주위를 공전하는 복합 유기 화합물로 구성된 먼지나 다른 작은 입자 또는 얼음 입자로 구성되어 있는 경우가 있다. 행성의 고리는 행성의 형성과 구조 등 다양한 정보를 담고 있기 떄문에 많은 연구자의 관심을 지금까지 받아왔다. 행성의 고리 형성과 구조는 초기 태양계의 조건과 행성의 형성 과정에 대해 중요한 단서들을 제공할 뿐만 아니라 행성의 고리와 위성 간의 상호 작용을 통해서 중력, 위성의 구조, 고리의 형성과 진화에 대한 중요한 정보를 제공해 주기도 한다. 

모행성의 중력에 의한 조석을 일으키는 기조력에 의해 붕괴하지 않고 접근할 수 있는 한계를 로슈 한계라고 부른다. 일반적으로 로슈 한계는 모행성으로 인해 유발된 기조력에 파괴되는 위성에 적용되고 있는데 로슈 한계에 가깝게 접근할수록 기조력에 의해 물체가 변형된다고 한다. 로슈 한계 안쪽에서는 궤도를 도는 물질이 자신의 중력보다 기조력이 더 강해져 물체가 붕괴하면서 원반을 형성하고 로슈 한계 바깥쪽의 물질은 한 곳으로 뭉치는 경향이 있다고 한다. 일부 위성은 로슈 한계 안쪽에서 공전하고 있는데 그것은 위성을 구성하고 있는 물질이 위성의 자체 중력 이외에 항장력 등과 같은 힘으로 뭉쳐져 있기 때문이라고 한다.

 

행성의 고리가 생성되는 데에는 세 가지 방식이 있다고 한다.

첫 번째 방식으로는 행성의 로슈 한계 내여서 위성을 형성하기 위해 뭉치지 못한 원시 행성 디스크의 물질에서 생성이 되었거나 두 번째로 큰 충격에 받아 부서진 위성의 잔해들에서 생성이 되었거나 마지막 세 번째 로슈 한계 내로 통과할 때 조석 압력에 의해 부서진 위성의 잔해에서 생성되었다는 것이다. 

목성의 위성인 메티스와 토성의 위성인 판은 재료의 세기를 나타내는 힘인 항장력 때문에 로슈 한계 안쪽에서도 형태를 유지할 수 있는 대표적인 위성이라고 한다. 이러한 위성의 표면에는 정지해 있는 물체가 기조력에 의해 위성의 표면에서 떨어져 나가는 경우도 종종 발생한다고 한다. 혜성과 같은 약한 위성은 로슈 한계를 통과하는 동안에 부서져 버릴 수도 있다고 하며 로슈 한계 내에서 기조력은 중력보다 훨씬 강하기 때문에 아무리 커다란 위성이라고 하더라도 로슈 한계 안에 있는 물질을 끌어들일 수는 없다고 한다. 실제로 알려진 거의 모든 행성의 고리는 그 행성의 로슈 한계 안에 있다고 한다. 다만 예외적으로 로슈 한계 밖에 있는 고리도 존재한다고 하며 그러한 고리는 지금은 토성이 된 원시 행성의 강착 원반 나머지 부분이 위성으로 합쳐지는 데 실패를 했거나 위성이 로슈 한계 안쪽을 통과할 때 부서지면서 형성되었을 것으로 추측되고 있다. 로슈 한계는 위성의 딱딱한 정도에 의존한다. 극단적으로 높은 유동성을 가진 위성은 기조력에 의해 서서히 변형이 늘어나고 그로 인해 더욱 쉽게 깨져 산산조각이 나기도 된다. 실제 위성은 대부분 위의 경우 사이에 있다고 한다. 

 

고리 입자에는 다양한 성분을 가지고 있다고 한다. 그것은 실리케이트 또는 얼음 먼지일 수 있다고 하며 더 큰 바위들과 여러 자갈도 존재할 수 있다고 한다. 또한 2007년에 단지 수백 미터 떨어진 여덟개의 작은 위성에서의 조석 효과가 토성의 고리 내에서 검출되기도 했다고 한다. 때때로 고리들은 고리 내의 갭 또는 고리 외부의 가장자리를 공전하는 양치기 위성을 지닐 것이라고 보고 있다. 양치기 위성은 틈새 위성의 변형으로 행성의 고리에 간극을 주는 위성이다. 고리는 작은 먼지 입자로 이루어져 있는데 이러한 먼지들이 흩어지지 않고 모여 있는 이유 중 하나가 양치기 위성이라고 불리는 작은 천체들이 먼지 입자의 위치와 에너지를 조절해 주기 때문이다. 또한 양치기 위성의 중력은 고리가 날카롭게 정의된 가장자리를 유지하게 된다. 양치기 위성 궤도에 가깝게 보유하는 물질은 고리 본체로 편향되어 돌아가기도 하며 시스템에서 방출되거나 위성에 장착된다.

태양계의 목성형 행성들도 고리를 가지고 있지만 가장 눈에 잘 띄고 잘 알려진 고리는 토성의 고리이다. 대부분의 고리는 불안하고 수억 수십억년을 거쳐 분산된 과정을 겪는다고 보고 있으나 이에 반해 토성의 고리는 매우 오래되었으며 태양계 생성의 초기로 추정되고 있다. 

 

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