이아페투스

이아페투스는 토성의 대형 위성 중 가장 바깥쪽에 있으며 그중 단연 가장 기이한 모습을 하고 있다. 한쪽 반구는 석탄처럼 검은 물질로 덮여 있고, 다른 쪽 반구는 갓 내린 눈에 가까울 만큼 밝다. 조반니 카시니는 1671년 이 위성을 발견한 순간부터 그 차이를 눈치챘다. 이아페투스가 토성의 서쪽에 있을 때는 볼 수 있었지만 궤도의 동쪽 편에서는 완전히 놓쳤고, 그는 한쪽 면이 다른 쪽보다 훨씬 어두울 것이라고 정확하게 추론했다. 그 이유를 마침내 설명하는 데는 3세기가 넘는 시간과 그의 이름을 딴 탐사선이 필요했다.

반지름 약 735km에 물 얼음이 약 4분의 3을 차지하는 암석핵을 두른 이아페투스는 수치상으로는 평범한 세계다. 이아페투스를 특별하게 만드는 것은 다른 어디에서도 볼 수 없는 조합이다. 이중인격 같은 표면, 적도를 둘러싼 거대한 산맥 벽, 그리고 토성계의 다른 어떤 주요 위성과도 구별되는 멀고 기울어진 궤도다.

두 얼굴의 위성

이아페투스는 조석 고정되어 있어 궤도를 도는 동안 항상 같은 반구가 앞을 향한다. 발견자의 이름을 딴 그 선도 반구, 카시니 레지오는 놀라울 만큼 어두워 입사하는 햇빛의 3~5%만을 반사한다. 반면 롱스보 테라와 사라고사 테라라는 밝은 평원으로 나뉘는 후행 반구는 50~60%를 반사한다. 나란히 놓고 보면 두 얼굴의 밝기 차이는 10배가 넘어, 태양계의 큰 천체 중 가장 극단적인 반사율 대비를 보여준다.

어두운 피막은 놀라울 만큼 얇아서 일부 지점에서는 두께가 겨우 수십 센티미터에 불과한데, 이는 그 물질이 내부에서 형성된 것이 아니라 표면에 칠해졌음을 시사한다. 그 근원은 토성 주위의 거대하고 희미한 고리에 먼지를 흩뿌리는 어두운 외곽 위성 포이베로 보이며, 이 포이베 고리는 적외선 망원경이 마침내 탐지한 2009년까지 알려지지 않았다. 이아페투스가 그 먼지 속을 지나가면서 진행 방향을 향한 반구가 불그스름한 갈색 막을 뒤집어쓰는 것이다.

폭주하는 되먹임 고리

먼지만으로는 모든 것을 설명할 수 없는데, 어둡고 밝은 영역이 선도 반구와 후행 반구에 정확히 일치하지 않기 때문이다. 카시니가 2007년 근접 통과에서 얻은 자료는 두 번째 자기 강화 과정, 즉 열적 분리를 가리켰다. 이아페투스는 79일에 한 번 자전하기 때문에, 길고 느린 하루 동안 어두운 지면이 햇빛에 달궈진다. 카시니 레지오의 어두운 지역은 낮 동안 약 영하 144도까지 올라가는데, 이는 그 세계치고는 따뜻한 편이며 밝은 얼음은 영하 160도 부근에 머문다.

그 온도 차이가 폭주하는 순환 고리를 일으킨다. 더 따뜻한 어두운 반점의 얼음이 승화해 더 차가운 밝은 지형에 다시 얼어붙으면서, 어두운 반점은 더욱 어둡고 건조해지고 밝은 지역은 점점 더 얼음이 많아지고 반사율이 높아진다. 포이베의 먼지가 단순히 균형을 무너뜨리는 방아쇠 역할을 했고, 위성 자체의 열역학이 그 뒤를 이어 얼룩을 우리가 보는 선명한 두 색조의 세계로 다듬어냈을 가능성이 있다.

세계를 두른 벽

카시니가 2004년 12월 이아페투스를 촬영했을 때, 누구도 예상치 못한 특징이 드러났다. 적도를 거의 정확히 따라 뻗어 있는 산맥 능선이었다. 길이 약 1,300km, 폭 최대 20km, 높이 약 13km에 달하며 일부 봉우리는 20km가 넘게 솟아 태양계에서 가장 높은 봉우리 중 하나로 꼽히는 이 능선은 적도선을 아주 정밀하게 따라가 위성에 호두처럼 독특한 편평한 윤곽을 부여한다. 이름 붙은 주요 봉우리로는 톨레도 몬테스, 토르텔로사 몬테스, 카르카손 몬테스가 있다.

이것이 어떻게 형성되었는지는 아무도 확신하지 못한다. 유력한 설명은 크게 두 갈래로 나뉜다. 하나는 이아페투스가 한때 훨씬 빠르게 자전하다가 눌린 모양으로 얼어붙었고 단단한 지각이 그 부풀어 오른 모양을 그대로 가두었다는 것이고, 다른 하나는 예전에 존재하던 잔해 고리가 적도로 쏟아져 내려 쌓이며 산맥을 이루었다는 것이다. 이 능선이 어두운 카시니 레지오 쪽에만 있다는 사실이 이 수수께끼를 여전히 풀리지 않게 만든다.

홀로 떨어진 궤도

이아페투스는 약 356만km 거리, 즉 타이탄 거리의 약 세 배에서 토성을 돌며 한 바퀴 도는 데 79.3일이 걸린다. 궤도 또한 토성의 적도면에서 15.47도나 기울어져 있어, 고리 평면에 거의 평평하게 놓인 다른 대형 위성들과 다르다. 이러한 거리와 기울기는 태양계 초기 역사에서 있었던 격렬한 중력 조우에서 비롯되었을 가능성이 크다.

그 대가로 다른 어떤 대형 토성 위성도 제공할 수 없는 경관을 얻는다. 이아페투스는 고리 평면 위로 매우 높이 떠 있기 때문에, 토성의 고리가 옆에서 본 것처럼 거의 보이지 않는 것이 아니라 활짝 펼쳐진 장관으로 보이는 유일한 대형 위성이다. 능선 위에 선 관측자라면 몇 주 동안 검은 하늘에 걸린 줄무늬 거대 행성과 그 고리를 바라볼 수 있을 것이다.

우리가 이 위성을 알게 된 과정

3세기 동안 이아페투스는 밝기가 변하는 하나의 점에 불과했다. 보이저 1호와 보이저 2호가 1980년과 1981년에 최초의 흐릿한 근접 사진을 보내와 밝고 어두운 구분을 확인시켜 주었지만 세부 사항은 밝혀내지 못했다. 진정한 전환점은 이 위성을 여러 차례 통과하며 관측한 NASA와 ESA의 카시니 궤도선이었다. 2004년 12월 31일의 원거리 관측과 2007년 9월 10일 표면에서 약 1,227km 이내까지 접근한 정밀 근접 통과가 있었다. 이러한 카시니의 관측들이 오늘날 우리가 이 세계에 대해 이해하는 거의 모든 것의 근거가 되는 온도 지도, 능선 이미지, 성분 자료를 제공했다.