태양계의 왕자 목성

[명사십리]

태양계의 행성 목성

태양계의 왕자

태양계의 5번째 궤도를 돌고 있는 목성은 태양계에서 가장 거대한 행성이다. 목성은 태양계 여덟 개 행성을 모두 합쳐 놓은 질량의 2/3 이상을 차지하고 지름이 약 14만 3,000km로 지구의 약 11배에 이른다. 이 거대한 목성은 육안으로도 쉽게 발견할 수 있을 만큼 밝은데, 가장 밝을 때는 -2.5등급을 기록하기도 했다. 또한, 목성은 엷은 고리를 가지고 있으며 유명한 네 개의 갈릴레이 위성을 포함해 많은 위성을 지니고 있다.

태양계의 왕자 행성, 목성.

태양계의 왕자 행성, 목성은 어떤 모습일까?

목성의 모습을 보면 줄무늬를 찾을 수 있다. 검은 줄무늬는 ‘띠’, 밝은 줄무늬는 ‘대’라고 불린다.

목성의 대기는 주로 수소, 헬륨으로 이루어져 있으며 약간의 암모니아와 메탄이 존재한다. 그리고 목성의 모습을 보면 줄무늬가 보인다. 검은 줄무늬를 ‘띠(belt)’, 그리고 밝은 줄무늬를 ‘대(zone)’라고 부른다. 적외선 관측결과에 의하면 대는 띠보다 온도가 낮고, 따라서 더 높은 상층에 위치함을 알려준다. 그리고 대는 고압의 상승영역이고, 띠는 저압의 하강영역임을 제시해 준다.

목성의 대기에서 가장 유명한 현상은 대적점(대적반, Great Red Spot)이다. 겉에서 보기에는 보통의 소용돌이처럼 보이지만 그 안은 매우 역동적이다. 목성의 소용돌이라고 볼 수 있는 이 대적점은 타원 모습이며, 크기는 지구보다 훨씬 크다.남반부에 있는 이 대적점은 반대방향으로 움직이고 있는 두 개의 대기 띠 사이에 위치하고 있으며, 대적점 주위의 대기는 반시계방향으로 순환한다. 대적점 내의 풍속은 100m/s에 가깝다.

목성의 표면(구름의 상단부분) 온도는 약 -148°C 정도 된다.목성은 태양에서 받는 열보다 더 많은 열을 방출하는데, 이는 목성 내부에 열원이 있음을 말해준다. 그 열원은 행성이 형성될 때 행성 위에 붕괴되는 가스에서 방출되는 중력 에너지라 알려져 있다.

목성 대기에서 가장 유명한 현상인 ‘대적점’은 목성의 소용돌이로, 타원 모습이며 크기는 지구보다 훨씬 크다.

수소분자로 이루어진 목성의 지름은 14만 3,200km로 목성이 조금만 더 큰 천체였더라면 목성의 내부에서 핵반응이 일어나 제2의 태양이 되었을지도 모른다. 목성의 질량은 지구의 약 318배이고 부피는 지구의 약 1,400배나 되지만 태양과 비슷한 목성의 밀도는 지구의 약 1/4 정도밖에 되지 않는다. 그 이유는 목성은 태양처럼 밀도가 낮은 수소와 헬륨으로 구성되어 있기 때문이다.

목성 내부로 깊이 들어갈수록 일반적인 형태의 분자 수소는 압축되어 결합이 파괴되고 궤도전자들이 원자 사이에 공유된다. 이는 금속의 형태와 매우 비슷하며, 대표적으로 수소가 그러하다. 수소의 이와 같은 상태는 실험실에서 기체에 충격파를 가하여 수천K의 온도와 수백만 기압의 압력을 만들어 확인하였다. 즉 목성의 가장 깊숙한 내부에는 얼음이나 암석으로 이루어진 핵이 존재하고, 그 위로 액체금속수소가 있고 그 위로 비균질지역(헬륨이 작은 물방울 형태로 존재하는 지역), 수소분자지역 그리고 대기가 존재할 것이라 추정된다.

고리가 토성에만 있는 것으로 알려져 있었으나 보이저 2호가 목성에서 고리를 발견한 것은 놀라운 일이었다. 토성보다 목성이 더 가까이 있는데도 지금까지 목성의 고리를 발견하지 못한 데에는 여러 가지 이유가 있다. 그 이유는 목성의 고리가 토성의 고리보다 얇고 밀도도 낮고 희미하기 때문이다. 구성 물질은 적외선 관측을 통해 분석한 결과 작은 암석과 먼지로 밝혀졌다.

목성의 고리는 크게 세 부분으로 가장 안쪽의 뿌연 형태의 고리와 중간의 주 고리, 그리고 가장 바깥쪽의 얇고 희미한 고리로 나눌 수 있다. 이 고리들은 목성 지표면에서 약 22만km 떨어진 곳까지 분포하고 있다. 고리는 위성에 운석이 충돌할 때 발생하는 먼지에 의해 계속 채워지고 있다.

태양계에서 가장 빠르게 자전하는 행성

목성은 태양계에서 가장 빠르게 자전하는 행성이다.

목성은 태양계 내에서 가장 빠른 자전을 하며 그로 인해 적도지방이 불룩한 타원체로 볼 수 있다. 목성은 대부분 기체로 이루어져 있으며, 이에 따라 태양처럼 차등자전을 한다. 즉 적도에서 가장 빠르고 극지방에서 상대적으로 느린 자전을 한다. 적도 부근에서는 9시간 50분 주기로 자전을 하며, 고위도에서는 9시간 55분 주기로 자전을 한다. 그리고 자전축은 3°가량 기울어져 있다.

목성은 태양으로부터 약 5.2AU(7억 8천만km) 떨어져서 공전을 하고 있다. 이심률은 0.048 정도로 작은 편이고 공전주기는 11.862년(약 11년 10개월) 정도이다.

목성은 강력한 자기장을 가지고 있다. 지구의 자기장의 원인은 철과 니켈로 이루어진 용융상태의 핵이라고 알고 있다. 목성은 내부의 액체금속수소가 그 역할을 하고 있는 것으로 추정된다. 그리고 지구의 자기장으로 인한 오로라현상 또한 목성에서도 관측이 된다.

지상에서의 전파관측과 탐사선들의 관측결과 목성의 자기장의 크기는 지름이 약 3X1010m로 목성의 지름보다 약 210배 더 크고 태양보다 약 22배 더 크다. 이는 지구에서 관측했을 때 달이나 태양의 4배 되는 크기이다.

작은 태양계, 목성의 위성들

목성은 작은 태양계라 불리기도 한다. 태양을 중심으로 행성과 소행성 등 여러 천체들이 도는 것처럼 목성 주위로 수많은 위성들이 돌기 때문에 붙여진 명칭이다. 그 많은 위성들 중에 우리에게 친근한 위성은 갈릴레이 위성일 것이다. 이 천체를 제일 처음 찾아낸 사람은 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564~1642)로 1610년 자신이 만든 굴절망원경을 통해 목성 근처에서 발견했다. 꾸준한 관측을 통해 갈릴레이는 네 개의 천체들이 목성의 위성이라는 결론을 내렸고, 이 네 개의 위성들이 훗날 갈릴레이의 위성으로 불리게 된 것이다. 이 위성들은 곧이어 독일의 천문학자이며 안드로메다를 발견한 시몬 마리우스(Simon Marius)에 의해 각각의 이름들(이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토)이 붙여지게 된다.

작은 태양계로 불리는 목성은 목성을 중심으로 돌고 있는 수많은 위성을 거느리고 있으며, 그 중에서 가장 유명한 것은 갈릴레이가 최초로 발견한 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토이다. (왼쪽 상단부터 시계방향)

1.이오

갈릴레이 위성 중에 목성에 가장 가까운 위성은 바로 이오이다.이오는 유로파, 가니메데와 1:2:4의 공전주기를 가지고 있는데, 이런 현상으로 인해 가니메데와 유로파는 이오가 목성을 공전할 때마다 같은 위치에서 힘을 가하게 된다. 목성에 가까워서 큰 조석력을 받는 데다가, 주기적으로 가니메데와 유로파에 의해 힘을 받는 이오는 형태가 조금씩 변하며, 이에 따라 내부에는 마찰이 생기게 되고 열이 발생하게 된다. 탐사선으로 관측한 이오의 모습에서는, 지구의 화산과는 형태가 다르지만, 용암이 흐르고 계속 활동하고 있는 화산을 볼 수 있다. 또한, 이오는 아주 옅은 대기를 가지고 있다.

2.유로파

유로파의 크기는 갈릴레오 위성 중 가장 작은 약 3,130km(지름)이며, 질량은 달의 0.65배 정도 된다. 관측 결과에 의하면,유로파는 표면에 구덩이가 거의 없고 철이 주성분인 핵과 규산염 맨틀, 그리고 얇은 지각으로 구성되어 있다.그리고 얇은 지각 밑에는 액체 상태의 바다가 있다고 추정하고 있다. 유로파는 이오보다는 작지만 내부의 열이 존재하며, 이는 주변 위성들과 목성의 상호작용으로 인해 생성된 것으로 보인다.

3.가니메데

태양계 안에서 가장 큰(지름 약 5,270km) 위성으로 알려진 가니메데는 갈릴레오 위성 중 목성으로부터 세 번째로 떨어져 있다. 갈릴레오 우주선의 조사에 의하면 가니메데의 내부는 부분적으로 용융 상태에 있는 철이 주성분인 핵이 존재하고, 규산염의 하부 맨틀, 얼음으로 이루어진 상부 맨틀, 그리고 얼음 지각으로 구성되어 있다. 가니메데의 표면은 융기한 부분과 패인 부분이 많이 있으며, 이것으로 과거 지질활동이 있었다는 것을 추정할 수 있다.

4.칼리스토

갈릴레이 위성들 중 목성에서 가장 멀리 떨어져 있는 것은 칼리스토이다. 칼리스토는 그 지름이 약 4,800km이며, 질량은 달의 1.5배 정도 된다. 특이한 점은 내부구조가 단순히 얼음과 암석으로 되어 있고, 지각은 얼음을 위주로 구성되어 있다. 따라서 밀도는 갈릴레이 위성들 중 가장 낮은 1,830kg/m³이다. 칼리스토의 표면에는 충돌 흔적이 있는데, 이는 충격에 의해 얼음이 녹아 여러 겹의 고리들이 생겼다가 낮은 온도로 인해 바로 굳어버려 생긴 것으로 알려져 있다.

5.목성탐사

목성에는 1972년과 1973년 파이오니어(Pioneer) 10호와 11호, 1977년에 보이저(Voyager) 1호와 2호, 그리고 그 외에 율리시즈호(Ulysses) 그리고 갈릴레오호(Galileo) 등 많은 지구의 탐사선이 발사되었다.

첫 번째의 목성 탐사선은 파이오니어 10호와 11호로 이들은 1972년 3월 2일과 1973년 4월 5일에 각각 발사되어 1973년 12월과 다음 해 12월에 각각 목성에 도착해 탐사를 시작했다. 먼저 도착한 파이오니어 10호가 목성의 북극 상공 13만 6,000km를 지나가는 순간에 인류는 처음으로 목성의 북극을 보게 되었고 이오에 엷은 대기가 있음을 보게 되었다. 이 탐사선들은 목성의 새로운 위성을 비롯하여 여러 장의 사진자료들을 보내왔다.

목성에는 보이저 1, 2호와 율리시즈 호, 갈릴레오 호 등 많은 지구의 탐사선이 발사되었다.

또한, 1979년 3월과 7월에 잇따라 보이저 1, 2호가 목성에 도착했는데 보이저 1호의 카메라들은 지구에서는 발견할 수 없었던 목성의 얇은 두 개의 고리를 발견하였으며, 이오가 활화산을 가지고 있다는 것을 처음으로 밝혀냈다.

태양계 탐사선 율리시즈호가 1992년 2월 목성의 대기 끝 부분인 3만 7,500km 지점까지 접근을 시도했다. 이 우주선의 목적은 태양풍과 자기장 등을 관측해 태양계의 전체 모습을 얻는 것이며, 목성을 탐사한 후 다시 태양으로 되돌아갔다.

1989년 10월 18일 목성탐사선 갈릴레오호는 케네디 우주센터(Kennedy Space Center)에서 발사된 우주선으로 궤도선과 탐사선으로 이루어져 있다. 갈릴레오호는 1990년 2월 금성을 거쳐 1995년 12월 드디어 목성을 도착, 궤도에 진입해 1997년 10월까지 목성을 관측했다. 이 우주선은 낙하산을 장착한 탐사선을 목성의 대기에 진입시켜 69분간 임무를 수행하게 했다. 갈릴레오 호의 목표는 목성 대기의 조성과 구조, 온도 분포, 구름과 위성 표면의 특성, 이오의 화산활동과 목성 고리 조사 및 자료수집, 그리고 위성의 대기 온도, 밀도, 압력 등을 파악하는 일이다.

신화 속 목성

목성을 상징하는 기호.

주피터(Jupiter)는 로마신화의 최고의 신으로 그리스 신화의 제우스에 해당한다. 유달리 밝고 큰 행성으로 메소포타미아에서 신 마르덕(Marduk)의 이름을 얻은 이후 세계 각지의 신의 이름으로 계승되었다. 그리스 신화에서 많은 아내를 둔 제우스처럼 많은 위성들을 거느리고 있으며, 실제로 이오, 칼리스토, 유로파 등 여러 위성의 이름이 신화에서 제우스 아내의 이름이다. 중국에서는 목성의 공전주기가 약 12년인 것에서 십이지를 담당하는 별로 여기고, '세성(歳星)'이라 불렀다. 또한, 도교에서는 대세성군이란 이름으로 신격화되어 흉신(凶神)의 대표격으로 가장 두려워하였다.

출처:(태양계의 행성, 한국천문연구원)