‘행성의 대왕’ 목성에서는 달별이 95개나 발견

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지상에서 바라보는 천체 가운데 태양을 제외하고 가장 밝게 보이는 것은 달이고, 다음은 금성, 그리고 3번째가 목성이다. 태양으로부터 5번째 궤도를 돌고 있는 목성은 고대로부터 인류의 관심을 끌었던 천체이다. 목성은 몇 가지 특징을 가졌다. 그의 직경은 69,911km로서, 태양계의 행성 중에서 질량이 가장 크다. 즉 목성은 다른 행성 전체를 합친 질량의 2.5배이고, 태양 질량의 1,000분의 1보다 조금 작은 정도이다.

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이렇게 거대한 행성이지만 표면은 단단한 데가 없고, 전체의 구성 성분은 90%가 수소이고, 나머지 헬륨으로 가득한 거대한 기체 상태의 천체가 목성이다. 목성에도 토성처럼 둥그런 테(ring)가 둘레를 감고 있지만, 아주 얇기 때문에 지상의 망원경으로는 보이지 않는다.

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이렇게 거대한 목성인데도, 자전 속도가 너무나 빨라 10시간마다 1회전을 한다. 반면에 태양을 일주하는 공전주기는 지구 시간으로 11.8년이다. 자전 속도가 빠른 기체 상태의 목성 표면에서는 엄청난 폭풍이 발생하여 대적점(大赤點 great red spot)이라 불리는 현상이 나타난다. 대적점의 직경은 지구 전체보다 2배나 큰 경우도 있다.

 

 

 

 

목성 표면에 나타나는 대적점을 가장 먼저 관측한 사람은 독일의 아마추어 천문가 슈바베(Heinrich Schwabe 1789-1873)였다. 그는 1831년에 대적점을 처음 발견했으며, 1826년부터 1843년까지 17년간은 날마다 태양의 흑점까지 관찰하여, 약 10년 주기로 태양의 흑점이 많아진다는 현상도 발견했다. 오늘날 목성 관측 인공위성에 의한 조사 결과, 목성의 표면에 일고 있는 엄청난 폭풍의 속도는 지상에서 발생하는 최강 허리케인의 풍속 281km/h보다 2배나 빠른 430-680km/h 정도나 되는 것으로 알려졌다. 사진은 목성 표면에서 일어나는 기류의 변화를 동영상으로 보여준다.

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천체를 관측해본 사람이라면, 목성은 행성 중에서 유난히 달별(위성)을 많이 가진 행성이라는 사실을 이상스럽게 생각할 것이다. 목성은 작은 망원경으로도 볼 수 있는 4개의 큰 달별(갈리레이 위성)을 포함하여 2023년 초 현재까지 모두 95개나 되는 위성이 발견되었다.

 

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목성의 달별은 1610년에 이탈리아의 천문학자 갈릴레이(Galileo Galilei(1564-1642)와 독일의 천문학자 마리우스(Simon Marius 1573-1625)가 각기 독립적으로 만든 망원경으로 처음 발견했다.

 

 

 

목성 둘레에는 이오(Io), 유로파(Europa), 가니메데(Ganymede), 칼리스토(Callisto)라 불리는 4개의 큰 달별을 포함하여 95개나 되는 달별이 존재하는 것으로 알려져 있다. 목성 둘레에는 이들 외에도 작은 달별이 더 많이 있는 것으로 알려져 있다.

 

 

 

이오 또는 아이오라 불리는 이 달별은 목성으로부터 가장 가까운 궤도를 돌고 있으며, 크기는 3번째이다. 이오는 지구의 달보다 약간 더 크다. 이 위성의 표면에서는 지금도 활동하는 화산이 400개 이상 발견되었다. 화산에서는 황과 삼산화황 가스가 500km 상공까지 분출되기도 한다. 이오의 표면은 황과 삼산화황으로 덥혀 있으며, 내부에는 규소, 철 등도 존재한다. 흥미롭게도 목성 자체는 가스상 행성이지만 둘레의 달별들은 활화산까지 존재하는 고체상태의 천체이다. 특히 달별 이오에서는 활화산이 400여 개나 발견되었다.

 

 

 

목성 주변을 2번째로 돌고 있는 달별 유로파는 4개의 달 중에서 제일 작다. 유로파는 직경이 3,000km이며, 지구의 달보다 조금 작다. 구성 성분은 규소, 물, 철, 니켈 등이고, 활화산은 발견되지 않았으며, 표면이 매끈하다. 이 사진은 2022년 9월에 나사의 목성 탐사선 쥬노(Juno)가 촬영한 것이다.

 

 

 

 

지구의 달처럼 보이는 가니메데는 목성 최대의 위성인 동시에, 태양계에서 가장 큰 달별이기도 하다. 목성 주변을 3번째 궤도에서 도는 가니메데의 직경은 5,270km이며, 질량은 지구의 달 2배 정도이다. 가니메데의 표면에는 철, 규소, 마그네슘, 나토륨, 황 등의 화합물이 존재하고, 지하에는 얼음 상태의 물이 있으며, 대기 중에는 암모니아와 산소가 포함되어 있다. 사진은 2021년에 탐사선 쥬노가 촬영한 것이다.

 

 

 

목성 주변의 4번째 궤도를 운행하는 칼리스토는 2번째로 큰 목성의 달별이다. 직경이 4,821km인 칼리스토는 수성과 비슷한 크기이다. 칼리스토의 표면은 달의 표면처럼 운석이 충돌한 운석공으로 가득하다. 이 달별에서는 화산활동이 발견되지 않았다. 성분은 암석 물질, 얼음 상태의 물, 암모니아 등이다. 암석 성분은 아직 밝혀지지 못했다.

 

 

 

목성 주변을 도는 큰 달별 4개(갈릴레이 달)의 운행 궤도를 나타낸다. 중심의 푸른점: 목성, 붉은 점과 궤도: 이오, 보라 점과 선: 유로파, 황색 점과 선: 가니메데, 청록색 점과 선: 칼리스토. 4개의 위성은 서로 다른 궤도를 따라 다른 속도로 돌고 있으므로, 네 위성은 항상 다른 위치에서 보인다.

 

 

 

목성의 북극과 남극에서는 극광이 나타난다. 이 극광은 목성이 가진 강력한 자기장(magnetic field) 때문이다. 가스상 행성인 목성에 자기장이 형성되는 이유에 대해 과학자들은, “목성 중심부는 높은 압력 때문에 주성분인 수소가 고체 상태로 존재하고, 회전하는 목성에 태양풍이 작용하므로 자기장이 생겨난다.”라고 설명한다.

 

 

 

목성 가까이 운행하는 위의 큰 위성 4개를 ‘갈릴레이의 달’(Galilean moon)이라 부른다. 청색으로 나타낸 내부의 달별과 붉은 궤도로 나타낸 외부의 달별이 불규칙하게 얽혀 있다.

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목성의 위성을 처음 관측한 ‘갈릴레이’를 ‘갈릴레오’라 말하는 경우가 많다. 갈릴레오는 이탈리아의 남성 이름(끝에 ‘오’)이고, 갈릴레이는 성(family name)이다. 영어에서는 성을 주로 부르기 때문에 지금은 갈릴레이로 많이 쓰고 있다.

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목성을 연구하는 천문학자들은 목성 주변의 수많은 위성들의 성질을 하나하나 밝히려 하고 있다. 제임스웹과 같은 우주망원경으로 이 위성들을 관측하게 되면, 새로운 우주의 물리법칙을 발견하게 될지도 모른다. 목성에 왜 이토록 많은 위성이 어지럽게 돌게 되었는지 그 이유는 천문학의 끝없는 연구 과제의 하나일 것이다. - YS

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