목성 대기·이오 지열 활동, 주노 탐사선이 밝힌 정밀 구조

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태양계에서 가장 큰 행성인 목성은 반지름만 해도 지구의 11배에 달한다. 중심에는 단단한 지각 대신 높은 압력으로 압축된 기체가 자리잡고 있으며, 겉으로 보이는 표면 역시 고체가 아닌 짙은 구름층으로 덮여 있다. 이 구름 아래에서는 빠르게 회전하는 제트기류와 거대한 소용돌이가 끊임없이 움직인다. 특히 극지방에서는 중심을 감싸듯 여러 개의 사이클론이 집단으로 형성되어 있는 독특한 대기 구조가 관측된다.

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이오(Io)는 목성의 가장 안쪽을 도는 대표적인 위성이다. 평균 지름은 지구의 달과 비슷하지만, 지질 활동은 훨씬 격렬하다. 표면 곳곳에 활화산이 분포하며, 실제로 지금도 용암이 흐르고 화산재가 분출되고 있다. 이오는 태양계에서 가장 활발한 화산 활동을 보이는 천체로 알려져 있다.

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그동안 목성과 이오 내부의 구조는 직접 관측하기 어려운 영역으로 남아 있었다. 두 천체 모두 표면 또는 대기에 가려 내부 상태를 확인할 수 없었기 때문이다. 하지만 NASA의 주노(Juno) 탐사선은 이 제한을 극복하고, 대기와 지표 아래에 있는 열 구조와 운동을 정밀하게 분석했다.

주노는 목성 북극의 고속 제트기류와 사이클론의 배치, 그리고 성층권의 온도 분포를 측정했고, 이오에서는 표면 바로 아래에 여전히 식지 않은 마그마층이 넓게 퍼져 있다는 사실을 처음으로 확인했다. 이 탐사 결과는 2025년 4월, 오스트리아 빈에서 열린 유럽지구과학연합 총회에서 발표됐다.

 

이오 표면 하부, 부분 용융 상태의 마그마층 확인

주노에 탑재된 마이크로파 복사계(MWR)는 적외선 관측 장비 JIRAM과 함께 이오의 지표 아래 구조를 분석하는 데 활용됐다. 모든 위도와 경도에서 냉각 중인 용암 흐름이 관측됐고, 표면의 약 10%에서는 아직 식지 않은 마그마가 존재하는 것으로 나타났다.

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이는 이오 표면이 지속적으로 재구성되는 메커니즘을 설명하는 데 기여한다. 열은 지하에서 표면으로 빠르게 이동하며 방출되고 있었고, 과학자들은 이를 고진공 상태에서 스스로 냉각되는 구조로 해석했다. 또한 2024년 12월 포착된 대규모 화산 분출은 2025년 3월에도 활동 중이었고, 주노는 5월 6일 이오 근접비행을 통해 추가 관측을 시도할 예정이다.

 

 

 

2025년 1월 28일, NASA의 주노 탐사선이 69번째 목성 근접 비행 중 약 5만 8천 킬로미터 상공에서 촬영한 목성 북부 고위도의 강화 색상 영상. JunoCam이라는 가시광선 카메라로 촬영됐다.

[사진=영상 데이터: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS, 영상 처리: Jackie Branc (CC BY)]

 

 

극지 구조 고정성 및 사이클론의 점진적 이동 패턴

목성 북극에는 하나의 중심 사이클론과 이를 둘러싼 8개의 대형 소용돌이가 고정된 구조로 배열되어 있다. 주노의 다년간 관측 결과, 이들 사이클론은 극지를 향해 점진적으로 이동하며 서로 간 상호작용하는 것으로 나타났다. 지구의 허리케인과 달리 목성의 사이클론은 극지에서도 소멸하지 않고 군집 형태로 유지되며, 상호 충돌을 통해 중심 위치를 일정하게 조정하는 동적 평형 상태를 유지한다. 이는 행성 규모 대기 순환 모델 보완에 활용될 수 있는 물리적 사례다.

 

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전파 굴절 실험을 통한 성층권 온도차 계측

2023년 2월, 주노는 목성 대기를 통과하는 전파 신호의 굴절 정도를 측정해 성층권의 고도별 온도와 밀도를 정밀 추산했다. 관측 결과, 북극 성층권 상층부는 주변보다 약 11도 섭씨 낮았으며, 시속 160킬로미터 이상의 고속 제트기류가 해당 지역을 감싸고 있는 것으로 나타났다. 이는 극지 대기 내에서 온도 구배와 기류가 어떻게 상호작용하는지 이해하는 데 기초 자료가 된다.

 

 

 

2017년 NASA 주노 탐사선의 JIRAM 장비가 수집한 데이터를 바탕으로 제작된 합성 이미지로, 목성 북극 중심의 거대한 사이클론과 그 주위를 둘러싼 8개의 사이클론이 나타나 있다. 이들 폭풍은 장기간 지속되는 특징을 지닌 것으로 관측됐다.

[사진=NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM]

 

 

주노는 목성의 고강도 방사선대를 수십 차례 통과하며 탐사를 이어가고 있다. 탐사선은 방사선에 대한 구조적 보호 기능을 갖추고 있으며, 현재 확장 임무에서는 다양한 고위도 경로를 활용해 관측 범위를 넓히고 있다. 프로젝트 책임자 스콧 볼튼은 탐사 궤도가 계속 변경되면서 새로운 각도에서 데이터를 확보하고 있으며, 고에너지 환경에서도 안정적인 탐사 성과를 얻고 있다고 밝혔다.

 

 

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