2023년 6월 25일, NASA의 제임스 웹 우주 망원경이 토성의 첫 근적외선 관측을 수행하기 위해 토성을 겨냥했다. 제임스 웹의 NIRCam(근적외선 카메라)에서 나온 첫 이미지는 과학자들의 마음을 사로잡는 데 충분했다.

토성 자체는 제임스 웹이 관측한 적외선 파장에서 매우 어둡게 보인다. 메탄 가스가 대기에 쬐는 햇빛 대부분을 흡수하기 때문이다. 하지만 얼음으로 구성된 고리는 비교적 밝게 빛나기 때문에 토성은 제임스 웹이 보내온 이미지와 같이 특이한 모습으로 보이게 되었다.

이 이미지는 제임스 웹의 GTO 프로그램(제임스 웹 개발에 기여한 집단에 개런티로 관측 시간을 할당해 주는 프로그램) 제1247호의 일환으로 촬영된 것이다. 이 프로그램은 제임스 웹을 가지고 토성과 휘황찬란한 고리 주변의 어두운 위성들을 관측할 능력을 시험할 목적으로 토성에 관해 여러 차례의 장시간 관측을 포함하고 있다. 새롭게 발견된 위성이라면 어느 것이든 과학자들에게 토성계의 과거와 더불어 지금의 토성계에 관해 더 완전한 그림을 그리는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.

제임스 웹이 촬영한 토성 이미지는 토성의 고리계 속의 상세한 모습과 더불어 토성의 위성인 디오네와 엔켈라두스, 테티스를 명확하게 보여주고 있다. (본문에는 없지만) 더 오랜 시간 관측한 이미지는 연구진으로 하여금 G 고리나 희끄무레한 E 고리처럼 여기서는 보이지 않는 토성의 고리 어두운 부분에 관해 살펴볼 수 있도록 할 것이다. 토성의 고리는 암석 조각과 얼음 조각들로 이루어져 있으며, 입자들의 크기는 모래알갱이만 한 것부터 산만 한 것까지 다양하다. 최근 과학자들은 제임스 웹을 사용해서 엔켈라두스를 살펴보며 이 위성의 남극에서 입자와 대량의 수증기로 이루어진 분출 기둥이 나오는 것을 발견하였다. 이 분출 기둥은 토성의 E 고리에 물질을 공급하는 역할을 한다.

토성의 대기는 예상한 바 없을 정도로 놀랍도록 상세한 모습을 보여주기도 한다. 카시니 탐사선이 관측한 것에 비하면 그 정도는 떨어질지라도, 이 파장(3.23 마이크로미터)에서 이 정도의 해상도로 토성의 대기를 본 것은 이번이 처음이다. 토성 북반구의 커다랗고 어둡고 희끄무레한 구조들은 토성의 위도와 관계 없이 나타난다. 그래서 이 이미지에서는 일반적으로 토성의 대기 깊숙한 층에서 보이는 띠 모양의 친숙한 모습을 볼 수 없다. 이 어지러운 모습은 앞서 제임스 웹으로 관측한 목성에서 보았던 것과 유사하게 주요 구름보다 높은 곳에 있는 성층권 에어로졸에서 나타나는 대규모 행성파(로스비파)를 떠올리게끔 한다.

여기서 토성의 북극과 남극을 비교할 때 보이는 차이는 잘 알려진 토성의 계절 변화가 대표적이다. 예를 들어 토성은 지금 북반구에 여름이 드리워 있고, 남반구는 겨울의 막바지를 보내며 극야에서 벗어나고 있다. 하지만 북극이 특히나 검다. 아마도 밝혀지지 않은 계절적인 과정이 극지방의 에어로졸에 영향을 주고 있기 때문일 것이다. 토성 테두리 쪽에서 얇게 밝아지는 모양새는 고위도의 메탄이 형광(빛을 흡수하였다가 재방출하는 과정)하기 때문이거나 전리층에서 나타나는 삼수소 이온(H₃⁺)의 방출광 때문일 수도 있고, 두 가지가 모두 기여하기 때문에 그럴 수도 있다. 이를 확인하는 데는 제임스 웹의 분광 관측이 도움이 될 것이다.

수십 년 동안 NASA의 파이오니어 11호, 보이저 1호와 2호, 카시니 탐사선, 허블 우주 망원경과 같은 임무가 토성의 대기와 고리를 살펴보았다. 제임스 웹의 이번 관측은 과학자들이 피어리뷰 연구 결과를 준비하기 위해 데이터를 샅샅이 살펴봄에 따라 여러 해에 걸쳐 망원경이 더할 토성의 이야기의 서장일 뿐이다.

원본

https://webbtelescope.org/contents/media/images/01H3X9BMPCX165ZK9RA49J2416

원문

https://blogs.nasa.gov/webb/2023/06/30/saturns-rings-shine-in-webbs-observations-of-ringed-planet/

사진, 기사 직접 번역함

본문에 언급된 장시간 관측 raw 데이터 3장 프리뷰