목성(Jupiter)에 대해 알아보겠습니다.
개요
목성은 태양계에서 크기와 질량이 가장 큰 행성입니다. 대부분이 수소와 헬륨으로 이루어져 있어 토성과 함께 거대가스행성이라 불립니다. 부피는 지구에 비해서 압도적으로 크지만 질량은 생각보다 무겁지 않습니다. 목성은 고대부터 관측되어 많은 문명에서 신화의 대상이 되었습니다. 'Jupiter'라는 단어도 고대 로마 신화에 나오는 천둥의 신인 유피테르가 어원입니다. 목성의 공전 및 자전 속도는 빠른 편에 속합니다. 목성의 상징이기도 한 대적반은 점처럼 보이지만 실은 거대한 소용돌이입니다. 목성은 많은 위성을 거느리고 있는데, 이 중 몇 개는 생명체 탐사와 관련된 주목을 받고 있습니다.
관측 및 탐사 역사
목성의 첫 관측은 기원전 8세기경 고대 바빌로니아의 기록에서 찾아볼 수 있습니다. 고대 로마에서는 클라우디오스 프톨레마이오스(Claudius Ptolemaeus)가 알마게스트(Almagest)라는 책을 통해 목성과 지구의 상대적인 위치를 설명하고 목성의 공전 시간이 11.86년임을 밝혀냈습니다.
중세 시대인 1610년 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 망원경으로 목성의 위성들인 이오(Io), 유로파(Europa), 가니메데(Ganymede), 칼리스토(Callisto)를 발견합니다. 이 발견으로 모든 천체가 지구를 중심으로 돈다고 믿었던 사람들에게 큰 충격을 안깁니다. 1660년대 지오반니 카시니(Giovanni Domenico Cassini)는 망원경을 통해 목성 표면의 얼룩과 다양한 띠를 발견했습니다. 대적반을 발견한 순간이었죠.
현대에 들어서는 더 많은 위성이 발견되었고 탐사 또한 이뤄졌습니다. 1892년 캘리포니아 릭 천문대는 목성의 5번째 위성을 발견합니다. 1973년을 시작으로 많은 무인 탐사기가 목성을 관측했습니다. 그중에서도 1972년 발사된 파이어니어 10호는 스윙바이를 이용해 최초로 목성을 방문해 목성의 자기장 등 많은 데이터를 지구로 전송했습니다. 보이저 계획에서는 목성의 고리가 발견되었고 대적반의 색깔이 주황색에서 갈색으로 변했다는 것도 알게 됐습니다. 2000년에는 탐사선 카시니가 토성으로 향하는 도중 목성을 관측해 고해상도의 영상을 촬영했습니다. 2007년, 탐사선 뉴호라이즌스는 명왕성을 향하는 길에 스윙바이를 이용하려고 목성에 접근했습니다. 뉴호라이즌스는 위성인 이오에서 화산이 분출하고 있는 모습을 촬영했습니다.
물리적 특성
크기
목성의 부피는 지구보다 1,320배 더 큽니다. 그렇지만 목성의 대부분이 가스로 이루어져 있어 질량은 지구보다 318배 무겁습니다. 목성의 질량이 더 무거웠다면 오히려 더 작은 크기를 가지게 됐을 것입니다. 이는 행성의 내부 구조와 함께 행성 형성 이론에 기반한 개념입니다. 행성이 형성되는 초기에는 주로 주변의 먼지와 가스로부터 물질이 축적되어 성장합니다. 이러한 과정에서 중력이 축적되는 물질을 끌어당기면서 행성이 커지게 됩니다. 그러나 중력도 한계가 있고, 물질이 축적되는 속도와의 균형이 형성되기 시작합니다. 추가로 더 많은 물질이 축적되면 중력은 더 커지지만, 동시에 행성의 중심에서 압력과 열에 의해 압축되고 높은 온도와 압력을 유지하게 됩니다. 이에 따라 행성의 내부에서는 수소와 헬륨이 밀도가 높아지는 내부 핵 구역을 형성하게 됩니다. 따라서, 물질의 축적과 중력에 의해 행성이 더 커지면서 동시에 내부의 밀도가 높아지게 되는데, 이는 결국 행성의 크기가 커지는 것보다는 더 높은 밀도로 행성의 크기가 작아지는 효과를 가져오게 됩니다. 이러한 원리 때문에 목성과 같은 가스 행성들은 암석형 행성과 달리 질량 대비 더 큰 크기를 갖게 됐습니다.
내부구조
과학자들은 목성의 구조를 여러 원소가 혼합된 고밀도의 중심핵, 그 주위를 액체 형태의 금속 수소와 헬륨 혼합물 그리고 물과 얼음을 포함한 두꺼운 수소층이 감싸고 있는 것으로 추측합니다. 외부가 거대한 가스층으로 덮여있는 탓에 아직 내부 구조에 대한 모델이 확립되지 않았습니다. 뉴 프런티어 계획의 일환으로 2011년에 발사되어 2016년에 목성에 도착한 탐사선 주노(Juno)가 목성을 관측하며 내부 구조에 대한 실마리를 풀 것으로 기대하고 있습니다.
기온 및 대기
목성의 자전축은 거의 수직을 이루고 있습니다. 그렇기 때문에 계절 변화는 별로 없을 것으로 추측하고 있습니다. 목성의 표면 온도는 140°C인데, 내부로 들어갈수록 온도와 압력이 급격하게 높아집니다. 목성의 상층부 대기에는 수소가 90% 나머지는 헬륨 등이 있습니다. 내부로 들어갈수록 메탄, 수증기, 암모니아, 규소 화합물이 있고 관측을 통해 에탄, 황화수소, 네온, 산소, 유황도 확인되었습니다. 목성은 5,000 km 달하는 대기층을 갖고 있는데, 이는 태양계 행성 중에서 가장 두껍습니다.
줄무늬
목성의 구름은 암모니아 결정이나 암모니아 수황화물로 만들어진 것으로 추측됩니다. 이 구름 중 적도면에 해당하는 부분에서는 위도마다 다른 흐름을 일으킵니다. 비교적 밝은 띠와 어두운 띠가 번갈아 가면서 나타나며 줄무늬를 형성하는 모습을 볼 수 있습니다. 이 색깔들은 내부에서 솟아오른 화합물이 태양의 자외선에 변질되면서 나타나는 색상입니다. 이 부분들은 적도와 평행하게 동쪽 또는 서쪽으로 번갈아 흐르고 있습니다. 이러한 작용이 복잡한 대기 순환을 일으켜 폭풍이 발생합니다.
대적반(대적점)
대적반은 목성의 대기 상단 부분에 위치한 엄청난 크기의 회오리 바람으로, 목성의 대기권을 가로지르는 것과는 반대 방향으로 회전하는 특이한 풍류입니다. 이 바람은 매우 빠른 속도로 움직이며, 망원경으로도 목성을 관측할 때 쉽게 볼 수 있는 주요한 특징 중 하나입니다. 대적반은 두 개의 주요 구역으로 나뉩니다. 하나는 "붉은 대적반(Red Spot)"으로 알려진 큰 붉은 색깔의 회오리 바람이며, 다른 하나는 "백색 대적반(White Spot)"으로 알려진 백색의 바람입니다. 붉은 대적반은 목성의 대기현상 중 가장 오랫동안 관측된 것으로, 17세기 이후로 계속 관찰되고 있습니다. 대적반은 매우 동적인 대기 환경을 보여주는 곳으로, 다양한 기상 현상들이 나타납니다. 대적반 내에서의 바람은 아주 빠르게 움직이며, 이에 따라 대적반이 회전하는 것처럼 보입니다. 이러한 회전은 목성의 고리 형태의 대기 구조를 형성하는 데 영향을 미칩니다. 대적반 내에서는 먼지와 구름이 다양하게 존재하며, 이들이 대기 현상을 더욱 화려하게 만듭니다.
위성
현재 목성에는 95개의 위성이 발견되었습니다. 이 중 가장 유명한 갈릴레오 갈릴레이 위성 4개를 알아보겠습니다.
이오(Io)
이오는 목성 주위를 도는 위성 중 가장 내부에 위치한 것으로, 내부에서 올라오는 열로 인해 활발한 화산활동이 이루어지는 특이한 특징을 가지고 있습니다. 이 화산들은 화산 분출물로 인해 많은 화성적인 지형을 형성하였고, 화산재와 유황 등의 물질로 뒤덮인 겉면을 갖추고 있습니다.
유로파(Europa)
유로파는 얼음으로 뒤덮인 표면을 가진 위성으로, 지하에서 액체의 물이 존재할 수 있는 환경을 지닐 가능성이 높습니다. 이것은 외부의 조밀한 얼음층 아래에 액체 바다가 있다는 가설로 이어지고 있습니다. 이 바다에서 생명체가 존재할 수 있는 환경을 찾는 연구가 진행되고 있습니다.
가니메데(Ganymede)
가니메데는 태양계에서 가장 큰 위성으로, 지름도 목성보다 크기 때문에 몇몇 작은 행성보다도 더 큰 크기를 가지고 있습니다. 이 위성의 표면은 화성적인 지형과 얼음으로 뒤덮여 있으며, 아마도 지하에서도 액체의 물 층이 존재할 것으로 추정되고 있습니다.
칼리스토(Callisto)
칼리스토는 목성 주위를 도는 위성 중 가장 먼 곳에 있는 것으로, 크레이터로 가득 차 있어 고대의 표면 특징을 많이 보존하고 있습니다. 이러한 크레이터들은 많은 우주 물체들의 충돌로 인해 생겨났으며, 이것이 칼리스토의 표면에 보이는 주요한 특징 중 하나입니다.
맺음말
이 긴 여정을 통해 우리는 목성에 대한 놀라운 사실과 흥미로운 이야기들을 함께 나누었습니다. 목성은 그 크기와 아름다움으로 많은 이들의 관심을 끌며, 그 물리적 특성들과 위성들은 우리에게 계속해서 새로운 질문을 던지고 있습니다. 목성은 우리가 끝없는 우주의 미지로 나아갈 용기를 가지도록 도와주는 빛나는 별과도 같은 행성입니다. 앞으로도 더 많은 별과 행성들의 이야기를 함께 나누면서, 우리의 우주에 대한 이해를 더욱 풍부하게 하길 바랍니다.
