레아

레아는 토성에서 두 번째로 큰 위성이자 태양계 전체에서 아홉 번째로 큰 위성이지만, 이 거대 행성의 주요 위성 중에서는 가장 극적이지 않은 축에 속한다. 타이탄 같은 메탄 강도, 엔셀라두스 같은 물 간헐천도, 이아페투스 같은 새까만 반구도 없다. 대신 레아가 지닌 것은 외태양계의 격렬했던 과거를 거의 그대로 담고 있는 기록으로, 물 얼음으로 이루어진 고대의 눈부시게 크레이터가 패인 지각 위에 새겨져 있다. 반지름 약 764km(지름 약 1,528km)로 타이탄의 3분의 1에 겨우 못 미치지만, 낮은 밀도는 이 천체가 대략 4분의 3은 얼음이고 4분의 1만 암석인, 수십억 년 동안 거의 변하지 않은 '더러운 눈덩이'임을 드러낸다.

이곳은 또한 작지만 진정한 이정표가 세워진 장소이기도 하다. 2010년, 카시니는 레아 주변의 산소와 이산화탄소로 이루어진 희박한 외피를 표본 채취했는데, 이는 우주선이 지구 이외의 세계에서 산소를 포함한 대기의 분자를 직접 포착한 최초의 사례였다.

훗날 자신을 탐사할 카시니에 의해 발견되다

레아는 1672년 12월 23일 이탈리아 출신 프랑스 천문학자 조반니 도메니코 카시니에 의해 발견되었는데, 이는 3세기 후 위대한 토성 궤도선이 그 이름을 물려받게 될 바로 그 관측자였다. 이는 1671년 이아페투스에 이어 카시니가 발견한 두 번째 토성 위성이었다. 그는 훗날 자신이 발견한 네 개의 토성 위성을 후원자 루이 14세를 기려 아첨 섞인 명칭인 '시데라 로도이케아', 즉 '루이의 별들'로 묶어 불렀다. 올림포스 신들의 어머니이자 토성의 그리스식 대응물인 크로노스의 배우자였던 티타네스의 이름을 딴 신화적 명칭 레아는 1847년 존 허셜이 제안하면서 훗날에야 일반적으로 쓰이게 되었다.

3세기가 넘는 세월 동안 레아는 빛의 점에 지나지 않았다. 이는 1980년 보이저 1호의 근접비행으로 바뀌었는데, 이때 크레이터로 뒤덮인 표면의 첫 실제 초상이 전송되었고, 이후 2005년부터 2013년까지 반복적으로 근접 통과하며 이 위성을 세밀하게 지도화한 NASA/ESA의 카시니 탐사선에 의해 결정적으로 규명되었다.

얼어붙고 크레이터로 뒤덮인 세계

레아의 표면은 물 얼음이 지배하며 충돌 크레이터로 포화 상태에 이르러 있는데, 이는 새 충돌이 대부분 이전 것을 덧씌워 버릴 만큼 오래된 지형이라는 신호다. 카시니의 데이터는 이 위성이 얼음과 암석의 거의 균일한 혼합물에 가까우며, 밀도는 물의 약 1.24배에 불과하다는 것을 보여준다. 이는 암석질 핵과 얼음 맨틀로 깔끔하게 분리된 적이 결코 없었을 만큼 낮고 균일한 수치다. 사실상 레아는 분화 정도가 여전히 논쟁 중인, 더러운 얼음으로 이루어진 커다란 공이다.

크레이터로 뒤덮인 평원에는 토성에서 등을 돌린 반구에 두 개의 거대하고 겹쳐진 흉터가 있다. 폭 약 360km의 다중 고리형 충돌 분지인 티라와와, 티라와가 일부를 덮어 쓴 더 오래되고 더 침식된 폭 약 480km의 마말디 분지다. 티라와는 둘 중 더 북쪽에 있고 덜 침식된 쪽이다. 두 분지 모두 — 레아의 지형지물이 대체로 그렇듯 — 세계 여러 신화의 창조 인물들의 이름을 따서 명명되었으며(그 열구들은 신화 속 신성한 장소의 이름을 딴다), 이는 국제천문연맹이 이 위성에 정한 명명 주제를 따른 것이다.

얼음 절벽과 '더 스플랫'

보이저가 레아의 후행 반구를 가로지르는 창백하고 희미한 줄무늬를 포착했을 때, 많은 이들은 이웃 위성 디오네에서 본 '희미한 지형'을 떠올리며 이를 서리 퇴적물이라고 추측했다. 2006년 카시니의 더 선명한 영상은 진실을 밝혀냈다. 이 줄무늬들은 지각이 갈라지고 가라앉으면서 수백 미터 높이에 이르는 절벽 면에 신선한 얼음을 드러낸, 밝은 구조적 균열, 즉 열구들의 계열이었다.

가장 두드러진 단일 지형은 남반구에 있는 폭 약 47km의 방사형 크레이터 인크토미로, '더 스플랫'이라는 별명으로 불린다. 레아의 가장 젊은 주요 지형 중 하나로 여겨지는 이 크레이터는 비스듬한 충돌로 깨끗한 지하 얼음을 파헤쳐 수백km에 이르는 밝은 분출물 광선계를 뿜어냈고, 이는 더 오래되고 먼지 낀 주변 지형과 뚜렷하게 대비를 이룬다.

지구 밖에서 발견된 최초의 산소 대기

2010년, 카시니의 장비는 산소 분자와 이산화탄소로 이루어진, 레아 주위의 극도로 희박한 외기권을 감지했다. 이는 상상하기 어려울 만큼 희박하여 산소 밀도가 지구 대기보다 대략 수조 배 낮은 수준이지만, 그 발견은 역사적이었다. 우주선이 지구 이외의 세계에서 산소를 포함한 대기의 분자를 직접 포착한 것은 이때가 처음이었다.

이 화학 작용은 생명과는 아무 관련이 없다. 토성의 강력한 자기장에 갇힌 하전 입자들이 레아를 휩쓸고 지나가며 얼음 표면에 부딪혀 물 분자를 분해하는데, 이를 방사선 분해라고 하며, 이 과정에서 산소가 방출된다. 이산화탄소는 이 반응성 높은 산소가 얼음이나 낙하하는 입자 속 탄소가 풍부한 물질과 결합하면서 형성되는 것으로 추정된다. 이후 다른 얼음 위성들에서도 이와 비슷한 표면 방사선 분해 산소 외피가 추론되었지만, 레아의 것이 직접 감지된 최초의 사례였다.

아마도 존재하지 않았을 고리

2008년 카시니 연구팀은 흥미로운 가능성 하나를 보고했다. 레아 주위에서 감지된 전자량의 대칭적인 감소가 궤도를 도는 잔해 원반, 어쩌면 개별적인 작은 고리들의 존재를 암시한다는 것이었는데, 이것이 사실이라면 레아는 자신만의 고리계를 지닌 것으로 알려진 최초의 위성이 되었을 것이다. 이는 실로 놀라운 주장이었다. 그러나 뒤이은 표적 영상 촬영 캠페인들은 예상되었던 물질을 찾아 나섰지만 아무것도 발견하지 못했고, 고리 해석은 현재 대체로 확인되지 않은 것으로 여겨진다. 이 일화는 과학이 임무 도중에도 스스로 바로잡는 방식을 보여주는 유용한 사례다.

궤도와 관측

레아는 약 52만 7,000km 거리에서 약 4.5일마다 토성을 한 바퀴씩 도는데, 거의 완벽하게 적도면에 가까운 경로를 그리며 궤도 기울기는 겨우 0.35도에 불과하다. 대부분의 대형 위성과 마찬가지로 조석 고정되어 있어 한쪽 반구가 늘 토성 쪽을 향하고 있으며, 그래서 같은 선행 면이 항상 다가오는 파편들과 충돌한다. 햇빛을 받는 표면 온도는 겨우 영하 174도 정도까지 오르며, 영구히 그늘진 곳에서는 영하 220도까지 떨어진다.

뒷마당 관측자에게 레아는 손닿는 범위에 있지만 결코 쉬운 대상은 아니다. 약 10등급의 밝기로 육안으로는 보이지 않지만, 안정적인 밤이라면 75~100mm(3~4인치) 소형 망원경으로도 충분한 배율로 토성의 눈부심을 다스린 뒤에는 행성 근처의 희미한 별 같은 점으로 포착할 수 있다. 타이탄에 이어 토성의 위성 중 가장 밝은 위성이자 안쪽 얼음 위성들 중에서도 가장 밝으며, 안쪽 무리 중 가장 바깥쪽에 자리하며 그 너머로는 멀리 떨어진 타이탄까지 넓은 간격이 이어진다.