목성(木星, Jupiter)은 태양계의 다섯 번째 행성이자
태양계에서 가장 큰 행성입니다.
사진으로 본 목성은 캬라멜을 섞은 카페라떼처럼
너무 예쁜 띠무늬의 행성 입니다.
그 크고 예쁜 행성인 목성에 대하여
알아보도록 하겠습니다.
1. 목성이란?
태양계에서 가장 큰 행성인 목성은 태양의 질량의 1,000분의 1배에 달하는 거대행성입니다. 태양계의 대부분의 질량은 태양이 차지하고 있는데 목성은 그 태양의 1/1000 이면서 다른 모든 행성들을 합한 질량의 약 2.5배에 이릅니다. 천왕성과 해왕성이 거대얼음행성인데 반해 목성은 토성과 마찬가지로 거대한 기체 행성입니다.
목성은 고대 천문학자들에게도 잘 알려져 있었는데, 로마인들은 목성에 로마신화의 신인 쥬피터의 이름을 붙였고 동양에서는 오행 중 하나인 나무(木)에서 따서 이름을 붙였는데 세성(歲星)이라고도 부르기도 합니다.
목성은 지구에서 봤을 때 겉보기등급이 -2.94에 이르기 때문에, 반사광이 그림자를 형성할 정도로 충분히 밝습니다. 그래서 목성은 밤하늘에서 평균적으로 달, 금성 다음 밝은 천체에 입니다.
목성은 주로 수소로 이루어져 있고 헬륨은 목성을 이루는 전체 분자 개수의 1/10만 차지합니다. 하지만 목성의 질량의 1/4 차지합니다. 그리고 목성은 중원소로 이루어진 암석형 핵을 가지고 있고 다른 거대행성들과 같이 뚜렷게 보이는 고체 표면이 없습니다. 빠른 자전으로 인해서 행성의 모양은 편구 (적도의 팽대부가 약간 눈에 띄는) 모양이며 외곽 대기는 위도에 따라 몇 가지의 띠들로 눈에 띄게 구분되는데, 서로 상호작용하는 경계선을 따라 발생하는 난류와 폭풍에 의해 생기는 것입니다. 그로 인해 발생한 유명한 결과물로 대적점이 있는데, 대적점은 17세기부터 망원경으로 최초로 관측된 거대한 폭풍입니다. 위의 사진에도 분명이 보입니다.
목성의 주변은 희미한 고리계와 강력한 자기권이 있고 목성은 1610년에 갈릴레오 갈릴레이가 발견한 가장 큰 네 개의 갈릴레이 위성을 포함하여 적어도 67개의 많은 위성을 가지고 있습니다. 이들 중 가장 큰 가니메데의 직경은 행성인 수성의 직경보다도 크니 얼마나 큰 위성인지 알 수 가 있습니다.
목성은 여러 번 무인 탐사선에 의하여 탐사되어 왔습니다.
2. 목성의 형성 및 궤도전이
1) 형성
대전이가설(Grand Tack Hypothesis)
지구와 그 주변의 행성들은 목성과의 충돌로 인해 파괴된 태양 근처의 슈퍼지구들의 잔재로부터 형성되었습니다. 목성이 태양계 안쪽으로 침투하면서 중력에 의한 잡아당김과 끌기로 인해 슈퍼지구들의 궤도가 겹쳐지기 시작하면서 이들 사이에서 여러 충돌이 발생하였다는 이론이 대전이가설 이론입니다.
천문학자들은 여러 개의 행성으로 이루어진 약 500개의 행성계를 발견하였으며, 이러한 행성계들은 주로 지구보다 수 배 이상 큰 질량의 행성(슈퍼지구)을 하나 이상 포함하며, 수성보다 더 가까운 거리에서 모성의 주변을 공전하고 있었습니다. 목성과 같은 거대기체행성 또한 종종 모성과 가까이서 발견됩니다.
2) 궤도전이
이러한 목성이 태양계 안쪽에서 튕겨져 나오면서 지구를 포함한 내행성들이 형성될 수 있습니다. 이 모두가 대전이가설 이론입니다.
3. 목성의 외부 구조
1) 목성의 질량 및 크기
목성은 주로 기체 및 액체 물질로 이루어져 있습니다. 목성의 직경은 적도에서 142,984km (88,846mi)이고 밀도는 1.326 g/cm3 이며, 태양계의 거대행성 중에서 두 번째로 크지만 지구형 행성보다 낮은 밀도를 가집니다. 목성의 직경은 지구(×10.9733)보다 훨씬 크고 태양계의 대부분을 차지하는 태양(×0.10045)보다는 훨씬 작은 크기입니다. 대적점은 지구와 크기가 거의 같으니 얼마나 규모가 큰 폭풍 소용돌이인지 놀랍습니다.
2) 조성
목성의 상층부 대가는 약 88~92%의 수소와 8~12%의 헬륨으로 이루어져 있습니다. 참고로 개수밀도 조성비로 볼 때, 헬륨 원자가 수소 원자보다 네 배 무겁기 때문에 질량비로 조성을 기술할 때는 다른 원자에 의해서 조성이 바뀌기 때문에 조성비가 정확한 수치로 나타나지 않는 것입니다.
질량에 따른 목성의 대기는 약 75%의 수소와 24%의 헬륨으로 구성되어 있고, 1% 만이 다른 원소들로 이루어져 있습니다. 목성의 내부는 그 질량이 대략 71%가 수소, 24%가 헬륨, 5%가 다른 원소들로 이루어져 있습니다.
목성의 대기는 미량의 메테인, 수증기, 암모니아, 규소화합물과 미량의 탄소, 에테인, 황화수소, 네온, 산소, 포스핀, 황등으로 이루어져 있습니다.
대기의 최외곽층은 얼음 암모니아 결정을 포함합니다.적외선 및 자외선 분석을 통하여 미량의 벤젠과 탄화수소가 발견되기도 합니다.
3) 목성의 질량
목성의 질량은 태양계의 다른 모든 행성을 합한 질량의 2.5 배로, 태양과 목성의 무게중심이 태양의 중심으로부터 1.068 태양 반지름, 즉 태양의 표면 위에 자리잡게 만들 만큼 매우 무겁습니다. 목성은 크기가 지구보다 훨씬 크지만 밀도는 상당히 낮아서 목성의 부피는 지구의 약 1,321 배이지만 질량은 지구보다 단 318 배 밖에 크지 않습니다.
목성의 반지름은 태양의 반지름의 약 1/10이며 그 질량은 태양의 질량의 0.001입니다. 따라서 두 천체의 밀도는 비슷합니다.
4. 목성의 내부 구조
목성은 여러 원소들이 혼합된 고밀도의 핵과 그 주변의 액상 금속성 수소층, 대부분 수소분자로 구성된 외곽층으로 이루어진 것으로 예측합니다. 이런 구조에 관해 더 상세한 내용은 아직까지도 상당히 불확실하며 핵은 보통 암석형으로 기술되지만, 상세한 조성은 그 깊이의 온도 및 압력에서 물질의 특성을 알 수 없기 때문에 정확하지 않습니다.
1997년, 핵의 존재가 여러 중력 측량을 통해 주장되었는데, 그 질량은 지구의 질량의 12~45 배 또는 목성의 총질량의 대략 4~14 %라고 예측하고 있습니다. 핵의 존재는 최소한 목성의 역사 부문에서 행성의 형성 모형을 통해 제기되는데, 이 모형에서 원시태양 성운으로부터 대량의 수소와 헬륨을 끌어 모을 정도로 무거운 암석형 또는 얼음형 핵의 형성이 요구되기 때문입니다.
핵이 존재한다고 가정하면, 용융 상태의 핵은 그와 혼합된 뜨거운 액상 금속성 수소의 대류로 인해 수축하며 행성 내부에서 높은 수준의 구조를 지니게 되었을 것입니다. 여러 중력측량들이 전반적으로 그 가능성을 배제할 만큼 정밀하지 않기 때문에 핵에 관해서는 지금도 전적으로 밝혀진 바가 없습니다.
핵 영역은 조밀한 금속성 수소로 둘러싸여 있는데, 이 층은 목성의 반지름의 약 78%까지 채워져 있습니다. 비와 유사한 헬륨 및 네온 액적이 이 층을 통해 쏟아지면서 상층부 대기에서 이러한 원소의 양이 감소하였을 것입니다.
금속성 수소 층 위에는 수소로 이루어진 투명한 안쪽 대기가 자리잡고 있는데, 이 깊이에서의 온도는 수소에 대해 단 33 K인 임계온도 이상입니다. 이 상태에서 액체 및 기체의 상은 구별할 수 없기 때문에 여기서 수소는 초임계 유체 상태에 있다고 일컫습니다. 수소는 구름층에서 약 1,000 km 아래까지 뻗어 있는 상층부에서는 기체로 취급되고, 그보다 아래에 있는 층에서는 액체로 취급됩니다. 물리학적으로 그 경계는 명확하지 않는데 그 이유는 기체가 하강하면서 매끄럽게 뜨거워지고 조밀해지기 때문입니다.
5. 목성의 온도와 압력
목성 내부의 온도와 압력은 핵쪽으로 급격하게 증가합니다. 10 바 수준의 "표면" 압력에서, 온도는 약 340K입니다. 수소가 임계점 이상으로 가열되어 금속성을 띠게 되는 상전이 영역의 온도는 10,000 K이며 압력은 200GPa로 추정됩니다. 핵의 경계에서의 온도는 36,000 K, 압력은 대략 3,000~4,500 GPa로 예측하고 있습니다.
6. 목성의 대기
목성은 고도가 5,000 km 이상에 이르는 태양계에서 가장 큰 행성대기를 가지고 있습니다. 지표면이 없기 때문에, 대기의 시작점은 주로 대기압이 1 MPa (10 바), 또는 지구의 표면 압력의 열 배에 해당하는 지점으로 간주됩니다.
1) 구름층
보이저 1호가 1979년 2월 25일에 목성 상공 920만 킬로미터에서 촬영한 목성의 대적점과 그 주변.
대적점 바로 아래의 하얀 타원형 폭풍은 지구와 직경이 거의 같을 정도로 거대합니다..
목성은 암모니아 결정 및 아마 황화수소암모늄으로 구성된 구름에 영구적으로 뒤 덮여 있습니다. 이 구름들은 대류권계면에 위치해 있으며 열대 지역으로 알려진 서로 다른 위도에 있는 띠들에 따라 배열됩니다.
이들은 밝은 색조의 대(zone)와 어두운 색조의 띠(belt)로 나뉘는데 이들의 충돌 순환 패턴의 상호작용으로 폭풍과 난류가 발생 됩니다. 국지 제트(zonal jet)에서는 풍속 100 m/s (360 km/h)의 바람이 흔하게 발생하게 됩니다. 대는 폭과 색깔, 색의 강도가 해마다 변하는 것으로 관측되어 왔는데, 과학자들이 이를 확인하기에 충분할 정도로 안정적으로 남아있습니다.
구름층은 약 50 km만큼 두껍고, 구름층은 두껍고 낮은 층과 얇고 깔끔한 영역등의 두 개의 구름층으로 나눠져 있습니다. 또한 암모니아층 아래에는 얇은H2O 구름층이 있을 것으로 여겨지는데, 목성의 대기에서 감지된 번개의 섬광을 통해 예측가능한 것입니다. 번개가 발생하기 위해서는 물의 극성으로 인해 전하분리가 일어나야 하기 때문입니다. 이들의 방전은 지구에서 발생하는 번개의 수천 배에 이를 정도로 강력합니다. 물구름은 내부에서 가열된 열을 통해 뇌우를 일으킬 수 있습니다.
목성의 구름에서 띠는 오렌지 및 갈색은 용승하는 화합물이 태양의 자외선에 노출되어 변색되면서 발생한 것입니다. 정확한 성질에 관해서는 아직까지 확실하지 않지만 이들의 실체는 인, 황 또는 아마 퇀화수소일 것으로 예측하고 있습니다. 발색단으로 알려져 있는 이러한 다채로운 화합물들은 따뜻한 낮은 쪽의 구름층과 섞이게 되고 대는 상승 대류세포가 암모니아를 결정화하여 낮은 구름층을 가리게 만들 때 형성됩니다.
목성의 낮은 자전축 경사는 극지역이 적도지역보다 적은 태양복사를 일관적으로 받고 있음을 의미합니다. 행성 내부의 대류는 더 많은 에너지를 극지역으로 수송하여 구름층의 온도 불균형을 해소하게 만듭니다.
2) 대적점과 그 외 소용돌이
목성의 대적점은 시간이 흐르면서 그 크기가 줄어들고 있습니다.
목성의 가장 유명한 특징은 바로 이 대적점인데요. 대적점은 오랫동안 유지되고 있는 고기압성 폭풍으로, 적도를 기준으로 남위 22˚에 위치해 있고 여러 번 말씀 드린 것 처럼 지구보다 더 큽니다.
대적점은 최소한 1831년, 또는 1665년 이후부터의 관측으로 그 존재를 드러냈습니다. 허블 우주 망원경이 여러 차례 촬영한 사진에서는 대적점과 인접해 있는 두 개의 "적점"(red spot)이 드러나기도 했습니다. 대적점은 12 cm 이상 구경의 지상 망원경을 통해서 볼 수 있을 만큼 큽니다. 여러 수학적 모형들은 이 폭풍은 안정적이므로 목성의 영구적인 특징이 될 것이라고 추측합니다.
달걀형의 폭풍인 대적점은 약 6일 주기로 반시계방향으로 회전합니다. 대적점의 크기는 24~40,000 km × 12~14,000 km로, 지구를 둘 또는 세 개나 품을 수 있을 정도로 거대합니다. 이 폭풍의 최대 고도는 주변의 구름 꼭대기에 대해서 약 8 km입니다.
대적점과 같은 폭풍(oval)들은 거대행성 거대행성의 난기류성 대기에서 흔히 발생합니다. 목성 또한 이름이 붙여지지 않을 정도로 작은 갈색 및 백색의 폭풍들을 가지고 있습니다. 백색 폭풍은 상대적으로 차가운 상층부 대기의 구름을 포함하는 경향이 있으며, 갈색 폭풍은 따뜻한 "보통의 구름층"에 위치해 있습니다. 이러한 폭풍들은 수 시간 정도로 짧게 지속되거나 수 세기까지 지속될 수 있습니다..
2000년에 목성의 남반구에서 발생한 대기 현상은 대적점의 외양과 비슷하나 그보다 더 작은데, 세 개의 작은 백색 달걀형 폭풍들(1938년에 처음으로 관측됨)이 병합하면서 더 크게 만들어진 것입니다. 이 폭풍은 OVAL BA 라 명명되고, 주니어 적점(Red Spot Junior)이라는 별명이 붙여졌습니다. 오벌 BA는 색의 강도가 증가한 이후로 색깔이 백색에서 적색으로 변화하였습니다.
3) 목성의 행성 고리
목성은 이루어진 희미한 고리계를 가지고 있습니다. 목성의 고리는 크게 세 부분으로 나뉘는데, 헤일로(halo)로 알려져 있는 안쪽의 입자 토러스와, 상대적으로 밝은 큰 고리, 외곽의 매우 가는 고리가 있습니다. 이러한 고리들은 토성의 고리에서 볼 수 있는 얼음보다는 티끌로 이루어진 것으로 보입니다. 큰 고리는 목성의 위성인 아드라스테아와 메티스에서 방출된 물질로 이루어진 것으로 보입니다.
보통 위성으로 되돌아갈 물질은 목성의 강력한 중력으로 인해 끌어당겨지기 때문에 물질의 궤도는 목성으로 크게 틀어지게 되고 추가적인 충돌로 인해 새로운 물질이 유입됩니다. 비슷한 방법으로, 위성인 테베와 아말테아 역시 두 개의 희미한 티끌 고리를 형성했을 것입니다. 또한 아말테아의 궤도와 일치하는 암석형 고리의 증거가 있는데, 이 고리는 아말테아의 충돌 부스러기를 포함하고 있을 것이라고 예측합니다.
7. 목성의 자기권
목성의 오로라는 표시된 밝은 세 점들은 위성인 이오(좌측), 가니메데(하단), 유로파(하단)와 연결된 자속관 (magnetic flux tube)에 의해 형성된 것입니다. 그리고 주폭풍(main oval)이라고 불리는 매우 밝은 원형의 영역과 그 속의 희미한 오로라가 보입니다.
목성의 자기장은 지구의 자기장보다 14 배나 강하며, 태양계에서 흑점을 제외하고 가장 강력합니다. 이러한 자기장은 액상 금속성 수소핵 속 물질들의 소용돌이 운동으로 인한 맴돌이 전류에 의해 발생하는 것으로 여겨집니다. 목성의 위성인 이오의 화산활동으로 대량의 이산화황이 방출되면서 위성의 궤도를 따라 기체 토러스가 만들어지는데, 이 기체는 목성의 자기권에서 이온화되어 황이온과 산소이온이 됩니다.
이들은 목성의 대기에서 기원한 수소이온과 함께 목성의 적도면에 플라스마판 (plasma sheet)을 형성합니다. 판 속의 플라스마는 목성에 대해 반대로 회전하기 때문에 쌍극자 자기장을 자기원반의 자기장으로 변형시킵니다. 플라스마판 속의 전자는 강력한 전파를 방출하여 0.6~30 MHz 범위에서 폭발을 일으킵니다.
목성의 중심으로부터 약 75 목성반경 지점에서 자기권과 태양풍의 상호작용으로 활꼴 충격파가 발생하고 목성의 자기권 주변은 자기권 외피층 (자기권과 활꼴 충격파 사이의 영역)의 안쪽 가장자리에 위치해 있는 자기권계면으로 덮혀있게 됩니다. 이 영역과 태양풍이 상호작용하면서 목성의 태양 반대편 자기권은 길게 늘여지게 되는데, 거의 토성의 궤도에 이를 정도로 길게 뻗습니다. 목성의 가장 큰 네 위성은 모두 목성의 자기권 속을 공전하기 때문에 태양풍으로부터 안전합니다.
목성의 자기권은 행성의 극지역에서 여러차례 발생하는 강렬한 전파 방출의 원인입니다. 위성 이오의 화산활동으로 인해 기체가 목성의 자기권으로 분출되어 행성 주변에 입자 토러스를 형성합니다. 이오가 이 토러스 속을 움직이면서 알펜파를 일으키는데, 이 때문에 이온화된 물질이 목성의 극지역으로 이송됩니다. 이러한 결과로 사이클로트론 메이저기작을 통해 전파가 발생하며, 그 에너지는 원뿔형 표면을 따라 전송됩니다. 지구가 이 원뿔과 상호작용할 때, 목성의 전파 방출은 태양의 전파 방출량을 넘어서기도 합니다.
8. 목성의 공전 및 자전
1) 목성의 공전
목성(빨강)은 지구(파랑)가 태양(중앙)을 11.86번 공전할 때 한 번 공전합니다.
2) 목성의 자전
목성의 자전축 경사는 약 3.13˚로 상대적으로 적기 때문에 지구나 화성에 비해 큰 계절적 변화를 겪지 않습니다.
목성의 자전은 10시간 이내로 한 바퀴를 완주할 만큼 태양계의 모든 행성 중에서 가장 빠릅니다. 이러한 자전으로 인해서 목성은 지상의 아마추어 망원경을 통해서 쉽게 확인할 수 있을 정도의 적도 팽대부가 만들어집니다. 행성의 모양은 극지름보다 적도지름이 더 큰 편구 모양이고 목성의 적도지름은 극지름보다 9,275 km(5,763 mi) 더 깁니다.
목성은 고체가 아니기 때문에 행성의 상층부 대기는 차등회전을 겪습니다. 목성의 극 대기의 자전은 적도 대기의 자전보다 주기가 5분 더 깁니다. 그래서 특히 대기 현상의 운동을 도표화 하기 위해서 세가지 계가 기준 좌표계로 사용됩니다.
9. 목성의 관측
목성은 통상적으로 하늘에서 태양, 달, 금성 다음으로 밝은 천체입니다. 그러나 화성이 목성보다 밝아 보이는 시기가 있기도 합니다. 지구 에 대한 목성의 위치에 따라 목성의 겉보기등급은 충일 때 -2.9등급에서 합일 때 -1.6 등급으로 감소하며, 목성의 각지름 역시 50.1"에서 29.8"로 변하게 됩니다. 가장 밝은 시기는 목성이 근일점을 지나면서 충에 위치할 때입니다.
지구는 태양을 공전하면서 목성을 398.9일 마다 한 번씩 추월하는데, 이 주기를 회합주기라고 합니다. 이런 과정에서 지구에서 목성은 배경 별에 대해 올가미 형태의 역행운동을 하는 것처럼 보이게 됩니다.
목성의 궤도가 지구의 궤도의 바깥에 있기 때문에 목성의 위상각은 지구에서 봤을 때 절대 11.5˚를 넘을 수 없습니다. 즉, 목성은 지구에서 망원경으로 관찰할 때 항상 거의 보름달처럼 보입니다. 목성의 초승달에 가까운 위상은 탐사선에서만 볼 수가 있습니다. 보통 작은 망원경을 통해서 목성의 네 갈릴레이 위성과 목성의 대기상의 커다란 구름띠를 볼 수 있습니다. 좀 더 큰 망원경을 통해서는 목성의 대적점을 볼 수 있기도 합니다
