[천체] 태양이 되지 못한 행성- 목성

[경우의 수]

• 궤도 : 778,330,000 km (5.20 AU) from Sun
• 질량 : 1.900e27 kg
• 지름 : 적도 143,800km (지구의 11.27배),극 135,200km (지구의 10.60배)
• 이 심 률 : 0.048
• 공전 주기 : 11.86년
• 자전 주기 : 적도표면 9시간 50분 30초, 내부 9시간 55분 30초
• 평균 밀도 : 1.314 g/cm3
• 표면 중력 : 지구의 2.64배
• 탈출 속도 : 61 km/sec
• 표면 온도 : -110도C (구름 상층부)

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태양계 최대의 행성, 목성

목성(木星)은 영어로는 Jupiter라하며 화성(Mars)보다 먼 곳에서 태양을 공전하고 있는 '외행성'의 하나이다. 행성들 가운데서 가장 덩치가 큰 것으로 지구보다 무려 318배의 질량을 가지고 있고, 그 지름은 지구의 11배나 된다. 태양과의 평균 거리는 5.2 AU(1 AU는 지구-태양의 평균 거리)이며, 태양으로부터 5번째의 행성이며, 그 공전주기 즉 태양을 한번 도는데는 12년이 걸린다.
자전주기는 9시간 55분으로 지구보다 거의 3배나 빨리 돌고 있다. 원심력이 크기 때문에 남북으로 납작하며 적도의 지름은 극의 지름 보다 6 %나 크다. 자전의 방향은 공전의 방향과 일치한다. 그리고 목성의 적도면과 공전면(즉 황도면)은 거의 일치되어있다.
목성을 구성하고 있는 물질은 수소가 76 %, 헬륨이 22 %이어서 태양의 성분과 유사하다. 태양의 일부분이 떨어져 나와서 행성이 된 것이라 생각할 수 있다. 그래서 밀도는 지구의 1/4에 불과하다. 목성의 표면은 지구나 달과는 달리 육지는 없고 액체수소의 바다를 이루고 있다.
목성의 중심부에는 초고압에 의해 수소가 고체로 된 '금속수소'의 핵이 있다고 생각된다. 만일 목성이 훨씬 더 컸다면(10배 이상) 압력에 의한 중심부의 온도가 몇 천만도에 이르렀을 것이고 그렇다면 목성도 태양과 같은 항성으로 발전했을 가능성도 있다는 것이다.
1977년 미국이 발사한 2 개의 'Voyager'우주선은 목성(Jupiter), 토성(Saturn), 천왕성(Uranus), 해왕성(Neptune)의 근처를 통과하면서 이들 행성의 생생한 영상을 많이 보내와서 목성에 대한 지식은 풍부해졌다. 목성에 대한 특이한 발견은 목성에도 희미하지만 2 개의 고리가 있다는 것이다.

목성의 표면

목성의 표면은 액체수소의 바다이고 그 위에 아주 짙은 대기가 덮고 있는데 수소, 메탄, 암모니아, 이산화탄소가 주류를 이루고 있으며, 표면에서의 압력은 지구의 대기압의 무려 200,000배나 된다. 목성의 대기의 표면이 받은 태양열은 지구의 0.037에 불과하여 평균온도는 약 영하 120도 C이다.
망원경으로 관찰하면 적도에 평행한 여러 개의 줄 무늬를 볼 수 있는데, 이것은 목성 자전에 의한 맹렬한 대기의 이동 때문이며, 고체로 된 메탄이나 암모니아, 이산화탄소(드라이아이스)의 구름의 흐름이라 생각된다. 또 특이한 것은 지구의 크기보다도 큰 타원형의 길쭉한 붉은 색의 반점이 있다. 이것을 '대적반'이라 한다.
이상한 것은 전파 망원경에 의한 관측에 의하면 목성은 일정한 파장을 가지는 전파를 간헐적으로 발사하고 있다는 것이다. 이 전 파로 목성의 자전주기를 측정한 것이다. 전파의 원인에 대한 설명은 있으나 확실한 것은 알지 못한다.

목성의 구름과 대기

목성에서 제일 볼만한 것은 여러 색깔의 줄무늬를 만드는 표면의 구름층이다. 그 중에서 대적점(또는 대적반이라고 불림)은 정말 장관이다. 이것의 크기가 가장 클 때에는 지구 2-3개가 들어갈 정도이며, 인간이 목성 표면을 관측하기 시작한 300년 이전부터 계속 존재하였다.
탐사선들이 보내 온 사진들에서 구름의 운동을 면밀히 분석한 결과, 대적점은 반시계 방향으로 6일에 한번씩 회전하는 것으로 밝혀 졌다. 그리고 대적점 위쪽에서 부는 바람은 동에서 서로, 아래쪽에서 부는 바람은 서에서 동으로 분다. 따라서, 대적점은 서로 반대 방향으로 움직이는 구름 표면에 생기는 소용돌이 현상이다.
여기서 한가지 짚고 넘어갈 것이 있다. 그건 태양에서 받는 에너지보다 목성 내부에서 나오는 복사 에너지가 더 많다는 것이다. 거의 2배에 달한다. 목성 내부에서 나오는 에너지는 생성 초기에 얻은 중력에너지로 생각이 된다. 지구처럼 암석으로 둘러싸인 중심부에서는 에너지가 밖으로 방출되기 어려우나, 목성에서는 쉽게 방출되므로 그 복사량이 태양에서 오는 양보다 더 많다.목성 내부에서 방출되는 에너지는 적외선 복사로 나오게 되며, 그걸 이용하여 구름층의 온도와 높이를 알 수 있다.
적외선 촬영에서 밝게 보이는 부분은 온도가 높은 부분이다. 이것은 낮게 떠 있는 구름층으로 망원경으로 볼 때에는 푸른색으로 보인다. 구름은 색에 따라 온도와 떠 있는 높이가 다르다. 온도가 높고, 떠 있는 고도가 낮은 구름층부터 나열해 보면 푸른색, 노란색(갈색), 흰색, 붉은 색의 순이다. 붉은색 구름층은 적외선 사진에서는 검은색으로 나타나므로, 가장 높은 곳에 떠 있는 온도가 가장 낮은 구름층이라는 것을 알 수 있다.

대적반(Great Red Spot)

대적점은 고기압지역이다. 지구에서도 공기의 흐름은 기압의 영향을 받는다. 만약 우리가 공기를 볼 수 있다면, 공기가 정상보다 더 많은 고기압 지역은 부풀어 보이고, 저기압 지역은 쑥 꺼져 보일 것이다. 지구의 경우 공기의 흐름은 고기압에서 저기압으로 흘러가게 되는데, 공기의 흐름은 똑바로 나아가는 것이 아니라, 지구의 자전 운동때문에 휘어진다. 북반구의 저기압 지역에서 는 반시계방향의 소용돌이가 불어 들어가고, 고기압 지역에서는 시계방향의 소용돌이(역선풍;반사이클론)가 불어 나온다. 그리고 남반구에서는 그 방향이 반대이다. 이러한 공기 흐름의 기본 틀은 자전하는 행성들에서는 모두 똑같다.
이런 사실로 보아 목성의 남반구에서 6일만에 반시계방향으로 소용돌이치는 대적점은 역선풍이고 공기가 부푼 고기압지역임을 알 수 있다.
대적점 아래에 흰 타원체들이 반시계방향으로 돌고 있는데, 이것도 고기압지역이며, 흰색이니까 둘째번으로 높은 구름층이다. 또, 북반구에서는 갈색 타원체들을 볼 수 있는데, 이들은 목성의 구름층에 구멍에 뚫려 아래층의 구름이 보이는 현상이다. 이 갈색 타원체는 1-2년 안에 소멸한다. 흰타원체는 50년 이상, 대적점은 300년 이상 생존했는데, 갈색 타원체는 비교적 빨리 죽는 편이다.

목성의 내부 구조

목성도 태양처럼 위도에 따라서 자전 속도가 다르다. 1690년에 카시니가 관측한 바에 의하면 적도에서는 9시간 50분 30초, 극 부근에서는 9시간 55분 41초의 자전 속도를 갖는다. 그런데 목성 내부에서 나오는 전파를 측정하여 계산한 자전 속도는 9시간 55분 30초였다. 그러니까 목성의 실제 자전 속도는 망원경에 보이는 대기의 자전 속도와는 다르다.
그런데 자전 속도와 내부 구조와는 무슨 관계가 있을까? 목성은 빠른 속도로 회전하기 때문에 목성의 모양은 완전한 구가 아니라 양 극쪽이 편평하다. (적도가 극보다 6.37% 길다.) 질량과 밀도, 자전 속도가 똑같은 두 행성이 있다고 하자. 이 때, 한 행성은 밀도가 높은 핵을 가지고 있고, 다른 행성은 물질 분포가 균일하다면, 밀도가 높은 핵을 가진 행성이 더 편평하다. 그러므로 목성의 편평도와 자전 속도를 이용하면 목성의 핵의 질량을 계산할 수 있으며, 목성의 핵은 목성 전체 질량의 4%(지구 질량의 약 13배)라는 값을 얻을 수 있다.
이 핵은 아마 원시 목성의 씨앗이었을 것이다. 그렇지만 그 크기는 지구보다 많이 크지는 않을 것이다. 왜냐하면 나머지 목성의 질량(지구의 305배)이 핵에 엄청난 압력을 가하기 때문에, 중심에서의 압력은 약 8000만 기압으로 핵의 지름은 약 20,000 km로 압축이 된다.
그럼 핵 이외의 나머지 내부 구조는 어떻게 알 수 있을까? 그건 목성에서 나오는 복사파를 계측하여 알 수 있다. 목성에서 나오는 전파 중에서 싱크로트론 복사가 발견이 된다. 그러므로 목성에도 자기장이 존재하는 것을 알 수 있으며, 복사의 강도에서 목성의 자기장을 계산해 보면 지구 자기장의 약 1만 9천배나 된다.
목성의 액체 금속층은 지구보다 훨씬 거대하고, 자전 속도 또한 더 빠르기 때문에, 목성의 자기장의 세기는 무려 지구의 19,000배에 달한다. 자기권의 영역도 매우 커서 충격파는 3000만km, 자기권계면은 300만 - 700만km 상공까지 뻗어 있다. 한가지 재미있는 사실은 목성의 자기장의 방향이 지구와는 반대라는 것이다. 그리고 자기권 내부에는 매우 뜨거운 플라즈마가 존재하며, 플라즈마 속의 하전입자들은 고속으로 회전하는 목성의 자기장에 붙잡혀 고속으로 가속이 된다. 그래서 그 온도가 3억-4억도K나 된다. 태양 중심부보다 더 뜨거우며, 전 태양계에서 가장 뜨거운 장소이다. 그렇지만 플라즈마의 밀도가 매우 희박해서 100cm3당 입자 하나꼴밖에 안되므로 위험하지는 않을 것이다.
높은 열은 지닌 플라즈마에서 나오는 압력은 태양풍을 차단해 준다. 그렇지만 자기권 안쪽에서 일어나는 태양풍과 플라스마 사이의 압력 균형은 매우 위태위태한 상태이며, 태양풍이 거세게 몰아칠때면 플라스마 일부가 날려가 자기권의 크기가 평소의 반으로 줄어들기도 한다. 물론 곧 원상태로 돌아간다.
목성의 자기장도 액체 상태의 철핵이 회전해서 생기는 것일까? 그러나 석질 핵 속에 액체 철핵이 있다고 해도 그렇게 거대한 자기장은 생기지 않는다. 목성 내부에서는 압력이 매우 높아서 수소의 전자가 양성자에서 떨어져 나가서 수소는 양성자와 전자가 섞여 있는 액체 상태로 존재한다. 이러한 상태에서 전자가 자유롭게 돌아다니기 때문에 전류가 생길 수 있게 된다. 다시 말해서, 목성 내부에서 높은 압력을 받아 수소는 마치 액체 금속처럼 행동을 하게 된다. 수소 분자가 액체 금속 수소로 변하는 현상은 3 백만 기압에서 일어나므로, 표면에서 2만km 아래에서부터 액체 금속 수소층이 존재하게 된다. 이로서 목성은 표면에서부터 2만km까지 수소분자가 층을 이루고, 그 아래 두께 4만km의 액체금속수소 층이 있으며 중앙에는 암석질의 핵을 갖고 있는 것을 알 수 있게 되었다.

싱크로트론 복사 : 전자들이 광속에 가까운 속도로 달리다가 자기장을 만나면, 자기장을 따라 나선 운동을 하면서 복사 에너지를 방출한다. 이런 식으로 복사 에너지를 방출하는 것을 싱크로트론 복사라 한다.

목성의 위성들

목성에서 가장 가까운 곳에는 먼지, 암석 조각들로 이루어진 고리가 하나 있고, 소행성 크기의 작은 위성들이 4개 있다. 그 다음에 갈릴레이 위성 4개가 있고, 그 바깥쪽에 8개의 작은 위성들이 있다. 이 8개의 위성들은 크기가 작고, 공전궤도가 크며, 목성의 적도면에 크게 기울어져 있다. 게다가 가장 바깥쪽의 4개의 위성들은 다른 위성들과는 반대방향으로 돌고 있다. 그래서 이들은 소행성이 목성의 중력장에 붙잡힌 것으로 생각된다.

 

이름	거리 (000 km)	지름 (km)	질량 (kg)	발견자	발견일
Metis Adrastea Amalthea Thebe Io Europa Ganymede Callisto Leda Himalia Lysithea Elara Ananke Carme Pasiphae Sinope	128 129 181 22 422 671 1070 1883 11094 11480 11720 11737 21200 22600 23500 23700	20 10 98 50 1815 1569 2631 2400 8 93 18 38 15 20 25 18	9.56e16 1.91e16 7.17e18 7.77e17 8.94e22 4.80e22 1.48e23 1.08e23 5.68e15 9.56e18 7.77e16 7.77e17 3.82e16 9.56e16 1.91e17 7.77e16	Synnott Jewitt Barnard Synnott Galileo Galileo Galileo Galileo Kowal Perrine Nicholson Perrine Nicholson Nicholson Melotte Nicholson	1979 1979 1892 1979 1610 1610 1610 1610 1974 1904 1938 1905 1951 1938 1908 1914

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갈릴레오 위성
Galilean satellites

 

목성의 위성들 중 4개의 위성은 지구형 행성으로 분류할 수 있을 만큼 그 크기가 크다. 이 위성 4개를 갈릴레이가 처음 발견하였다 하여 갈릴레이 위성이라 부른다. 아래 표는 이 4개의 위성들에 대한 기본 자료이다. 수성과 달에 대한 자료를 이들 위성과 비교해 보라.

 

이름	거리 (km)	공전주기 (일)	지름 (km)	질량 (e22kg)	평균밀도 (g/cm3)
이오(Io) 에우로파(Europa) 가니메데(Ganymede) 칼리스토(Callisto) 수성(Mercury) 달(The Moon)	412,600 670,900 1,070,000 1,880,000	1.77 3.55 7.16 16.69	3,632 3,126 5,276 4,820 4,878 3,476	8.92 4.87 14.90 10.60 33.0 7.35	3.55 3.04 1.94 1.81 5.42 3.34

갈릴레이 위성들의 형성 과정은 태양계 행성들의 형성 과정과 비슷한 것으로 보고 있다. 이오와 에오로파는 지구형 행성, 가니메데와 칼리스토는 목성형 행성에 비교할 수 있다.

<목성 사진>

[우주거성]

제목이 틀렸어요

[Boys_B_ambitious]

명왕성을 목성으로 고쳐야 할듯...

[A.I.]

그러게 저도 제목보고 엄청 의아해하면서 들어왔드니만 ㅋㅋ 목성 얘기였어요 -_-a