[태양계] 다섯번째 행성, 목성

목성(한자: 木星, 라틴어: Jupiter)은 태양계의 다섯번째 행성이자 가장 큰 행성입니다. 태양의 질량의 1,000분의 1배에 달하는 거대행성으로, 태양계에 있는 다른 모든 행성들을 합한 질량의 약 2.5배에 이르죠. 목성은 토성과 마찬가지로 거대 기체 행성이다(천왕성과 해왕성은 거대얼음행성). 목성은 고대 천문학자들에게도 잘 알려져 있었는데, 로마인들은 목성에 로마 신화의 신인 유피테르의 이름을 붙였다고 합니다. 동양에서 목성의 명칭은 오행 중 하나인 나무(木)에서 유래되었습니다. 신화에서는 세성(歲星)이라고도 불렸고요. 목성은 지구에서 봤을 때 겉보기등급이 -2.94에 이르기 때문에, 반사광이 그림자를 형성하기에 충분할 정도로 밝습니다. 그래서 목성은 밤하늘에서 평균적으로 달과 금성 다음, 즉 세번째로 가장 밝은 천체에 해당한합니다. 목성은 태양과의 무게중심이 태양의 체적 바깥에 위치한 유일한 행성으로, 그 무게중심은 태양 표면으로부터 태양 반지름의 7% 밖에 위치합니다. 목성과 태양 사이의 평균 거리는 7억 7,800만 km(지구와 태양 사이의 평균 거리의 5.2배, 즉 5.2 AU)이며 11.86년마다 한 번씩 공전을 완주합니다. 이 주기는 토성의 공전주기의 2/5배로, 즉 태양계에서 가장 큰 두 행성은 5:2 궤도공명을 이루고 있습니다. 목성의 타원궤도는 지구에 대해 1.31˚ 기울어져 있습니다. 0.048의 궤도이심률 때문에 태양에 대한 목성의 거리는 가장 가까운 지점(근일점)에서부터 가장 먼 지점(원일점)까지 약 7,500만 킬로미터 차이가 납니다. 목성의 자전축 경사는 약 3.13˚로 상대적으로 작기 때문에 목성은 지구나 화성에 비해 큰 계절적 변화를 겪지 않습니다. 목성의 자전은 10시간 이내로 한바퀴를 완주할 만큼 태양계의 모든 행성 중에서 가장 빠릅니다. 이러한 자전으로 인해서 목성은 지상의 아마추어 망원경을 통해서 쉽게 확인할 수 있을 정도의 적도 팽대부가 만들어져 있습니다. 행성의 모양은 극지름보다 적도지름이 더 큰 편구 모양이고, 목성의 적도지름은 극지름보다 9,275 km(5,763 mi) 더 깁니다.

[구성] 목성은 주로 기체 및 액체 물질로 이루어져 있습니다. 목성의 직경은 적도에서 142,984 km (88,846 mi)이고, 밀도는 1.326 g/cm3으로, 태양계의 거대행성 중에서 두번째로 크지만 지구형 행성의 밀도보다는 낮습니다. 목성은 주로 수소로 이루어져 있습니다. 헬륨은 목성을 이루는 전체 분자 개수의 십분의 일 정도만을 차지하지만 목성의 질량의 사분의 일을 차지합니다. 그리고 목성은 중원소로 이루어진 암석형 핵을 가지고 있으며, 다른 거대행성들과 같이 뚜렷한 고체 표면이 없습니다. 빠른 자전으로 인해서 행성의 모양은 편구(적도의 팽대부가 약간 눈에 띄는) 모양입니다. 외곽 대기는 위도에 따라 몇가지의 띠들로 눈에 띄게 구분되는데, 서로 상호작용하는 경계선을 따라 발생하는 난류와 폭풍에 의한 것입니다. 그로 인해 발생한 유명한 결과물로는 대적점이 있는데, 대적점은 적어도 망원경을 통해 최초로 관측된 17세기부터 존재한 거대한 폭풍현상입니다. 목성의 주변은 희미한 고리계와 강력한 자기권이 있습니다. 목성은 1610년에 갈릴레오 갈릴레이가 발견한 가장 큰 네 개의 갈릴레이 위성을 포함하여 적어도 79개의 위성을 가지고 있으며, 이들 중 가장 큰 가니메데의 직경은 행성인 수성의 직경보다도 크다고 합니다. 목성은 여러 원소들이 혼합된 고밀도의 핵과 그 주변의 액상 금속성 수소층, 대부분 수소분자로 구성된 외곽층으로 이루어져 있을것이라고 추측됩니다. 이런 구조에 관해 더 상세한 내용은 아직까지도 상당한 불확실성이 존재하고 있습니다. 핵은 보통 암석형으로 기술되지만, 상세한 조성은 그 깊이의 온도 및 압력에서 물질의 특성을 알 수 없기 때문에 불명확한 것이죠. 1997년, 핵의 존재가 여러 중력측량을 통해 주장되었는데, 그 질량은 지구의 질량의 12~45 배 또는 목성의 총질량의 대략 4~14 %일 것이라고 합니다. 핵의 존재는 최소한 목성의 역사 부문에서 행성의 형성 모형을 통해 제기되는데, 모형에서 원시태양 성운으로부터 대량의 수소와 헬륨을 끌어모을 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 됩니다. 여러 중력측량들이 전반적으로 그 가능성을 배제할 만큼 정밀하지 않기 때문에 핵에 관해서는 지금도 확실하게 밝혀진 것은 없습니다. 핵 영역은 밀한 금속성 수소로 둘러싸여 있는데, 이 층은 목성의 반지름의 약 78%까지 뻗어 있다고 합니다. 비와 유사한 헬륨 및 네온 액적이 이 층을 통해 쏟아지면서 상층부 대기에서 이러한 원소의 양이 감소하였을 것으로 추측되고 있습니다.

[대적점] 목성의 가장 유명한 특징은 대적점입니다. 목성의 대적점은 시간이 흐르면서 그 크기가 줄어들고 있는것이 특징이며, 대적점은 오랫동안 유지되고 있는 고기압성 폭풍으로, 적도를 기준으로 남위 22˚에 위치해 있으며 지구보다 더 큽니다. 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 정도라고 하는데요, 이 폭풍의 최대 고도는 주변의 구름 꼭대기에 대해서 약 8 km 정도 입니다. 대적점은 최소한 1831년 또는 1665년 이후부터 존재해왔을 것으로 추측하고 있습니다. 허블 우주 망원경이 여러차례 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 크며, 여러 수학적 모형들은 이 폭풍은 안정적으로 목성의 영구적인 특징일 것이라고 시사하고 있습니다. 대적점과 같은 폭풍(oval)들은 거대행성의 난류성 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 시간정도로 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 오벌 BA라 명명되고, 주니어 적점(Red Spot Junior)이라는 별명이 붙여졌습니다. 오벌 BA는 색의 강도가 증가한 이후로 색깔이 백색에서 적색으로 변화하였습니다. 보이저의 탐사로 대적점이 하나의 폭풍이었다는 것이 알려지기 전에도, 대적점이 다른 부분의 대기에 대해 다른 방향으로 회전하고 때때로 빠르거나 더 느리게 회전함으로써 행성의 표면의 어떠한 깊은 특징과 연관되지 않았다는 강력한 증거가 있었습니다.

 

[탄생] 지구와 그 주변의 행성들은 목성과 충돌로 인해 파괴된 태양 근처의 슈퍼지구들의 잔재로부터 형성되었다고 합니다. 과학자들이 대전이 가설(Grand Tack Hypothesis)이라고 부르는 가설에 따르면 목성이 태양계 안쪽으로 침투하면서 중력에 의한 잡아당김과 끌기로 인해 슈퍼지구들의 궤도가 겹쳐지기 시작하면서 이들 사이에서 여러 충돌이 발생하였습니다. 천문학자들은 여러개의 행성으로 이루어진 약 500개의 행성계를 발견하였으며, 이러한 계들은 주로 지구보다 수 배 이상 큰 질량의 행성(슈퍼지구)을 하나 이상 포함하며, 수성보다 더 가까운 거리에서 모성의 주변을 공전하고 있습니다. 목성과 같은 거대기체행성 또한 종종 모성과 가까이서 발견되죠. 목성이 태양계 안쪽에서 튕겨져 나오면서 지구를 포함한 내행성들이 형성될 수 있었다는 결론입니다.

 

무섭고도 고요한 우주의 폭풍행성, 목성

 

[질량 및 부피] 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 낮죠. 목성의 부피는 지구의 약 1,321 배이지만 질량은 지구보다 단 318 배 밖에 크지 않습니다. 목성의 반지름은 태양의 반지름의 약 1/10 배이며, 그 질량은 태양의 질량의 0.001 배입니다. 따라서 두 천체의 밀도는 비슷하다고 할 수 있죠. 목성의 질량(MJ 또는 Mjup)은 다른 천체, 특히 외계행성과 갈색왜성의 질량을 기술할 때 종종 사용되는데, 예를 들면 외계행성 HD 209458 b의 질량은 0.69 MJ이며, 안드로메다자리 카파 b의 질량은 12.8 MJ 등으로 표시하는 것입니다. 여러 이론 모형들은 목성이 현재보다 훨씬 더 무거웠다면 그 크기가 줄어들었을 것임을 시사하고 있습니다. 질량의 작은 변화에 대해서 반지름은 눈에 띄게 변화하지 않지만, 약 500 M🜨(1.6 목성질량) 이상에서는 압력의 증가에 따라 내부가 매우 크게 압축되면서 질량의 크기는 증가한데 비해 행성의 부피는 감소하게 됩니다. 결과적으로, 목성은 지난 역사와 조성을 통해 그만한 질량을 가졌기 때문에 직경이 큰 것으로 여겨지고 있죠. 만약 질량을 끌어모으면서 수축하는 과정이 계속해서 진행된다면, 핵융합이 발생하여 약 50 목성질량에서 고질량 갈색왜성이 되었을 것입니다. 목성이 수소 핵융합을 하여 별이 되기 위해서는 75 배나 더 무거워야 하지만, 가장 작은 적색왜성은 목성의 반지름의 약 30 퍼센트 밖에 크지 않습니다. 또한 목성은 태양으로부터 받는 열보다 더 많은 열을 복사하고 있죠. 내부에 만들어진 열량은 목성이 받는 태양 복사에너지와 맞먹습니다. 이런 열은 수축을 통한 켈빈-헬름홀츠 기작에 의해 발생한 것으로, 이 과정으로 목성은 연간 약 2 센티미터씩 수축한다고 합니다. 처음 형성되었을 때 목성은 더 뜨거웠고 현재 지름의 두 배정도로 컸을 것으로 추측되고 있습니다.

 

[대기] 목성의 상층부 대기는 약 88 ~ 92%의 수소와 8 ~ 12%의 헬륨으로 이루어져 있습니다. 참고로 이는 개수밀도 조성비인데, 헬륨 원자가 수소 원자보다 네 배나 무겁기 때문에 질량비로 조성을 기술할 때 다른 원자에 의해서 조성이 바뀌기 때문이죠. 질량에 따른 목성의 대기는 약 75%의 수소와 24%의 헬륨으로 구성되어 있으며, 나머지 일 퍼센트만이 다른 원소들로 이루어져 있습니다. 목성의 내부는 밀한 물질들로 이루어져 있는데, 그 질량의 대략 71%가 수소, 24%가 헬륨, 5%가 다른 원소들로 이루어져 있습니다. 목성의 대기는 미량의 메테인, 수증기, 암모니아, 규소화합물을 포함하며, 또한 미량의 탄소, 에테인, 황화수소, 네온, 산소, 포스핀, 황 등으로 이루어져 있기도 합니다. 대기의 최외곽층은 얼음 암모니아 결정을 포함하며, 적외선 및 자외선 분석을 통해서는 미량의 벤젠과 탄화수소들이 발견되기도 합니다. 대기의 수소 및 헬륨의 비율은 원시태양 성운의 이론적인 조성과 가깝습니다. 상층부 대기의 네온은 질량비로 단 20 ppm을 차지하는데, 이는 태양의 십분의 일 정도입니다. 헬륨 또한 태양의 헬륨 조성의 약 80% 정도로 감소하였는데, 이러한 감소는 행성 내부로 원소들이 침전된 결과라고 합니다. 분광학에 따르면 토성은 목성의 조성과 유사할 것으로 여겨지지만, 천왕성과 해왕성은 수소와 헬륨이 상대적으로 훨씬 적습니다.

 

금속성 수소층 위에는 수소로 이루어진 투명한 안쪽 대기가 자리잡고 있습니다. 이 깊이에서의 온도는 수소에 대해 단 33 K인 임계온도 이상이죠. 이 상태에서 액체 및 기체의 상은 구별할 수 없습니다. 때문에 여기서 수소는 초임계 유체 상태에 있다고 일컫는데요. 수소는 구름층에서 약 1,000 km 아래까지 뻗어 있는 상층부에서는 기체로 취급되고, 그보다 아래에 있는 층에서는 액체로 취급됩니다. 물리학적으로 그 경계는 명확하지 않은데, 기체는 하강하면서 매끄럽게 뜨거워지고 농밀해지기 때문입니다.

 

목성은 암모니아 결정 및 아마 황화수소암모늄으로 구성된 구름에 영구적으로 뒤덮혀 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 나뉩니다. 이들의 충돌 순환 패턴의 상호작용으로 폭풍과 난류가 유발되죠. 국지 제트(zonal jet)에서는 풍속 100 m/s (360 km/h)의 바람이 흔하게 발생합니다. 각 대는 폭과 색깔, 색의 강도가 해마다 변하는 것으로 관측되어 왔는데, 과학자들이 이를 확인하기에 충분할 정도로 안정적으로 남아있습니다. 구름층은 약 50 km의 두께를 가지며, 두껍고 낮은 층과 얇고 깔끔한 영역, 최소한 두 개의 구름층으로 이루어져 있습니다. 또한 암모니아층 아래에는 얇은 H2O 구름층이 있을 것으로 여겨지는데, 목성의 대기에서 감지된 번개의 섬광을 통해 추측된 것입니다. 번개가 발생하기 위해서는 물의 극성으로 인해 전하분리가 일어나야하기 때문이죠. 이들의 방전은 지구에서 발생하는 번개의 수천 배에 이를 정도로 강력힙니다. 물구름은 내부에서 가열된 열을 통해 뇌우를 일으킬 수 있죠.

목성 내부의 온도와 압력은 켈빈-헬름홀츠 기작으로 인해 핵쪽으로 급격하게 증가합니다. 10 바 수준의 "표면" 압력에서, 온도는 약 340 K이죠. 수소가 임계점 이상으로 가열되어 금속성을 띠게 되는 상전이 영역의 온도는 10,000 K이며 압력은 200 GPa로 추정됩니다. 핵의 경계에서의 온도는 36,000 K, 압력은 대략 3,000~4,500 GPa로 추정하고 있습니다.

목성의 구름에서 띠는 오랜지 및 갈색은 용승하는 화합물이 태양의 자외선에 노출되어 변색되면서 발생한 것입니다. 정확한 성질에 관해서는 아직까지 불확실하지만 이들의 실체는 인, 황 또는 아마 탄화수소일 것으로 여겨지고 있습니다. 발색단으로 알려져 있는 이러한 다채로운 화합물들은 따뜻한 낮은쪽의 구름층과 섞이게 됩니다. 각 대는 상승 대류세포가 암모니아를 결정화하여 낮은 구름층을 가리게 만들 때 형성되죠.

 

목성은 고체가 아니기 때문에 행성의 상층부 대기는 차등회전을 겪습니다. 목성의 극 대기의 자전은 적도 대기의 자전보다 주기가 5분 더 길죠. 그래서 특히 대기 현상의 운동을 도표화 하기 위해서 세가지 계가 기준 좌표계로 사용됩니다. 제일회전계(System I)는 북위 10˚에서 남위 10˚까지 적용되는데, 제일회전계의 자전주기는 9시간 50분 30초로 목성에서 가장 짧습니다. 제이회전계(System II)는 그 외의 모든 위도에서 적용되는데, 자전주기는 9시 55분 40.6초입니다. 제삼회전계(System III)는 전파천문학자들이 처음으로 밝혀낸 것으로, 목성 자기권의 자전과 상관있습니다. 제삼회전계의 자전주기는 목성의 공식적인 자전주기로 쓰이고 있습니다.

[고리] 목성은 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 보이구요. 보통 위성으로 되돌아갈 물질은 목성의 강력한 중력으로 인해 끌어당겨집니다. 때문에 물질의 궤도는 목성으로 크게 틀어지게 되고 추가적인 충돌로 인해 새로운 물질이 유입될 것입니다. 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 것으로 추측되고 있습니다.

 

[관찰] 목성은 통상적으로 하늘에서 태양과 달, 금성 다음으로 가장 밝은 천체입니다. 그러나 화성이 목성보다 밝아 보이는 시기가 있기도 합니다. 지구에 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 변합니다. 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 배경별에 대해 올가미 형태의 역행 운동을 하는 것처럼 보이고 있습니다. 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. 때문에 우주선 탐사를 통해서만 목성의 초승달에 가까운 위상을 볼 수 있습니다. 보통 작은 망원경을 통해서 목성의 네 갈릴레이 위성과 목성의 대기상의 커다란 구름띠를 볼 수 있으며, 좀 더 큰 망원경을 통해서는 목성의 대적점을 볼 수 있기도 합니다.

[탐사] 목성은 여러 시기에 무인 탐사선을 통해 탐사되어 왔습니다. 그 중 플라이바이 임무 기간 동안의 초기의 파이오니어 및 보이저와 이후의 갈릴레오 궤도 탐사선이 가장 유명하죠. 2007년 2월 말에 뉴호라이즌스가 목성의 중력을 이용하여 가속하고 궤적을 명왕성으로 변경하였습니다. 1995년 7월에는 질량 340 킬로그램의 티타늄제 대기 탐사선이 우주선으로부터 사출되어, 당해 12월 7일에 목성의 대기에 진입하였습니다. 탐사선은 대기 진입 후 150 km(93 mi)를 약 2,575 km/h(1,600 mph)의 속력으로 낙하하였으며 57.6분 동안 자료를 수집하다가 섭씨 153 도, 23 기압의 압력에서 파괴되었습니다. 그 후 잔해는 녹아내려 아마 기화하였을 것으로 추측하고 있습니다. 지금까지 목성을 공전한 우주 탐사선은 갈릴레오 궤도 탐사선이 유일했습니다. 갈릴레오 호는 1995년 12월 7일부터 목성의 주변을 공전하기 시작하였죠. 7년 이상 행성을 공전하면서 모든 갈릴레이 위성과 아말테아에 대한 여러 회의 플라이바이가 수행되었습니다. 또한 탐사선은 슈메이커-레비 9 혜성이 1994년에 목성에 접근하여 충돌하는 모습을 사건을 관찰하기 매우 좋은 위치에서 목격하기도 하였죠. 고성능 전파 수신 안테나의 전개 실패로 원래 계획된 탐사 능력에 제한을 받았지만, 갈릴레오 호로부터 목성계에 관한 정보를 광범위하게 얻을 수 있었습니다. 갈릴레오 궤도 탐사선 역시 생물이 존재할 가능성이 있을지도 모르는 위성인 유로파와 충돌하여 오염시킬 가능성을 피하기 위해, 2003년 9월 21일에 목성으로 방향을 돌려 50 km/s 이상의 속력으로 대기 탐사선과 동일한 운명을 맞이하였다고 합니다. 갈릴레오 임무로 얻은 자료로 수소가 목성의 대기의 90%까지 차지한다는 사실이 밝혀졌습니다. 탐사선이 증발하기 전까지 기록된 온도 자료는 섭씨 300도 이상이었으며 풍속은 644 km/h 이상으로 측정되었습니다. 목성을 가장 최근에 탐사한 탐사선은 2016년 7월 4일에 목성에 도달한 주노입니다. 차후의 목성계 탐사 대상은 유로파의 표면 아래에 있을 액체 바다일 것으로 추측하고 있습니다.이제는 NASA의 주노 탐사선이 2016년 7월 4일에 목성에 도달하였고, 이후에 극궤도로 돌면서 목성을 상세하게 탐사중입니다.

 

※ 다른 태양계 행성이 궁금하다면?

2023.03.26 - [우주과학] - [태양계] 첫번째 행성, 수성

[태양계] 첫번째 행성, 수성

2023.03.28 - [우주과학] - [태양계] 두번째 행성, 금성

[태양계] 두번째 행성, 금성

2023.03.28 - [우주과학] - [태양계] 세번째 행성, 푸른 지구

[태양계] 세번째 행성, 푸른 지구

2023.03.29 - [우주과학] - [태양계] 네번째 행성, 화성

[태양계] 네번째 행성, 화성