디오네

디오네는 토성의 중간 크기 얼음 위성 중 하나로, 평균 반지름 약 561km에 이르는 토성의 네 번째로 큰 위성이며, 37만 7,400km 거리에서 기울기가 겨우 0.019도에 불과한 단정하고 거의 원형에 가까운 궤도를 2.7일마다 완주한다. 이 위성은 암석질 심장을 감싼 단단한 물 얼음으로 이루어진 세계이며, 얼음이 마치 돌처럼 행동할 만큼 차갑고(약 영하 186도), 이곳 바깥 세계 대부분의 대기 없는 천체에 새겨진 이중의 역사, 즉 위에서 쏟아지는 끊임없는 충돌과 내부에서 서서히 진행되는 구조적 균열로 흉터가 남아 있다.

우주선이 가까이 다가가기 훨씬 전부터 디오네를 다른 위성과 구별 짓던 것은 후행 반구를 가로지르는 밝고 유령 같은 줄무늬였다. 수십 년 동안 이는 단순히 '희미한 지형'으로 분류되었을 뿐이며, NASA의 카시니 궤도선이 도착하고 나서야 비로소 그 진짜 정체가 밝혀졌다. 서리가 아니라, 우뚝 솟은 얼음 절벽들의 네트워크였다.

카시니가 발견하고, 카시니가 방문하다

이탈리아 출신 프랑스 천문학자 조반니 도메니코 카시니는 1684년 3월 파리 천문대에서 디오네를 이웃한 테티스와 함께 처음 관측했다. 그는 자신이 발견한 네 개의 토성 위성을 후원자인 루이 14세를 기려 '시데라 로도이케아', 즉 '루이의 별들'이라고 명명했다. 그러나 이 아첨 섞인 이름은 오래가지 못했다. 1840년대에 존 허셜은 대신 토성의 위성들에 그리스 신화 속 티탄족과 그 친족의 이름을 붙이자고 제안했고, 이 위성은 디오네가 되었다. 호메로스는 디오네를 아프로디테의 어머니로 그렸다.

결국 디오네를 상세히 지도화한 우주선도 카시니라는 이름을 지녔다는 사실에는 절묘한 대칭이 있다. 2005년부터 2015년 사이 카시니 궤도선은 이 위성에 대해 다섯 차례의 표적 근접비행을 수행했다. 가장 가까운 접근은 2011년 12월 12일로, 표면에서 100km도 채 안 되는 상공을 스쳐 지나갔다. 이후 다섯 차례 중 마지막이자 더 먼 거리에서 이루어진 2015년 8월 17일의 조우에서는 중력 데이터를 수집했으며, 그 뒤 임무는 토성 자체에서의 극적인 최후를 향해 나아갔다.

희미한 지형의 정체

1980년 보이저 1호가 근접비행했을 때, 카메라는 디오네의 후행 면을 가로지르는 창백하고 실 같은 무늬를 포착했지만, 그 이미지는 정체를 판별하기에는 너무 거칠었다. 유력한 추측이었던 얇은 밝은 서리층은 결국 틀린 것으로 판명되었다. 카시니의 고해상도 관측은 이 '희미한 무늬'가 사실 구조적 균열의 노출된 단면, 즉 지각이 갈라지고 무너져 내리면서 생긴, 수백 미터 높이에 이르는 절벽들의 긴 계열이라는 사실을 밝혀냈다. 어두운 표면 물질이 가파른 절벽 면에서 벗겨져 나가면서 신선하고 눈부시게 반사율 높은 물 얼음을 드러낸 것이다.

이 단층망은 위성의 고전적 주제에 맞게 베르길리우스의 아이네이스에서 이름을 따 왔다. 파도바, 팔라티네, 에우로타스 열구 등이 그 예로, 각각의 계열이 후행 반구를 가로질러 수백km에 걸쳐 뻗어 있다. 이들의 존재는 디오네가 한때 구조적으로 활발해 얼어붙고 비활성적인 상태로 가만히 있는 대신 구부러지고 갈라졌다는 직접적인 증거다. 연구자들은 이 균열들이 이웃한 엔셀라두스에서 지금도 분출하고 있는 '호랑이 줄무늬' 분출구의, 성숙하고 잠잠해진 사촌 격일 수 있다고까지 제안했다.

크레이터와 두 얼굴

토성의 다른 얼음 위성들 대부분과 마찬가지로, 디오네는 공전하면서 한쪽 반구를 늘 앞쪽으로 향한 채 유지하며, 양쪽 면은 눈에 띄게 다른 모습을 보인다. 고대 평원에는 충돌 크레이터가 촘촘히 박혀 있는데, 이름 붙여진 것 중 가장 큰 것들로는 베르길리우스의 아이네이스에서 따온 폭 약 160km의 아이네아스와 약 120km의 디도, 그리고 남극 부근에 자리한 폭 약 350km의 거대한 충돌 분지 에반더가 있다. 당혹스럽게도 크레이터가 가장 밀집된 지형은 후행 면에 자리하고 있는데, 이는 단순한 궤도 역학이 예측하는 것과는 정반대여서, 디오네가 과거 어느 시점에 거대한 충돌로 인해 회전하며 방향이 재정렬되었을 가능성을 시사한다.

크레이터로 뒤덮인 지각 아래, 디오네는 질량 기준으로 대략 절반이 암석이고 절반이 얼음이며, 밀도는 물의 약 1.5배에 이른다. 이는 반지름 약 400km의 규산염이 풍부한 핵이 두꺼운 얼음 외피에 감싸여 있음을 시사한다.

숨겨진 바다와 희미한 공기의 속삭임

디오네는 오늘날 명백히 활동적이지는 않지만, 묻혀 있는 바다의 존재를 시사하는 증거는 흥미롭다. 2016년 벨기에 왕립 천문대 연구진은 카시니의 중력 측정 데이터를 재분석해, 디오네의 얼음 지각이 외피와 깊은 암석질 핵 사이 약 100km 깊이에 자리한 전 지구적 규모의 액체 물 바다 위에 떠 있다고 가정할 때 데이터가 가장 잘 들어맞는다는 사실을 발견했다. 이것이 확인된다면 디오네는 엔셀라두스, 유로파, 타이탄과 같은 반열에 올라 잠재적인 지하 바다 세계가 될 것이며, 이는 부분적으로 엔셀라두스와의 1:2 궤도 공명에서 오는 조석력에 의해 따뜻하게 유지되고 있을 것이다.

이 위성은 또한 아주 희미한 대기의 흔적도 지니고 있다. 2010년의 근접비행에서 카시니의 장비는 산소 분자로 이루어진 희박한 외기권을 감지했는데, 이는 토성의 자기권에 갇힌 하전 입자들이 표면 얼음에서 두드려 낸 것으로 보인다. 이는 숨을 쉬기에는 턱없이 부족하고 진정한 대기라고 부르기도 어려운 수준이지만, 디오네가 완전히 죽어 있는 표면이 아니라 화학적으로 활동적인 표면임을 보여준다.

라그랑주점의 호위병들

디오네는 자신의 동반 천체를 거느린 것으로 알려진 몇 안 되는 위성 중 하나다. 헬레네와 폴리듀케스라는 두 개의 작은 위성이 디오네의 궤도를 공유하며, 중력적으로 안정된 라그랑주점에서 각각 앞뒤로 위치를 잡고 있다. 헬레네는 L4 지점에서 60도 앞서 있고, 폴리듀케스는 L5 지점에서 60도 뒤처져 있다. 이들은 디오네를 공전하는 것이 아니라 디오네의 궤도 자체를 차지하고 있기 때문에 디오네의 '트로이' 위성으로 불리며, 이와 같은 배치는 테티스와 그 자신의 공동 궤도 동반 위성 쌍에서만 유사하게 나타난다.

디오네를 찾는 방법

디오네는 뒷마당 망원경으로 충분히 관측할 수 있지만, 밝은 토성에 바싹 붙어 있어 까다로운 대상이다. 약 10등급의 밝기로, 타이탄, 레아, 이아페투스, 테티스에 이어 포착하기 비교적 쉬운 토성 위성 중 하나이며, 고리 근처에 희미한 별 같은 점으로 나타난다. 안정적인 밤이라면 100mm 구경 이상의 망원경으로도 이 위성이 2.7일마다 행성 주위를 도는 동안 시간마다, 밤마다 위치를 바꾸는 모습을 볼 수 있다. 플라네타리움 소프트웨어나 궤도력을 활용하면 이를 형제 위성들이나 배경별과 구별하는 데 큰 도움이 된다.