목성과 그 위성들은 작은 태양계를 이루고 있다. 갈릴레이가 발견한 4개의 위성을 비롯해 16개의 위성, 그리고 태양과 공유하고 있는 토로얀과 그리크의 소행성들이 목성의 중력에 잡혀 있는 것이다.

어떤 행성 천문학자들은 태양을 이중성이라고 한다. 그 이유는 목성이 행성으로선 너무 크고, 목성의 위성 중 네개의 커다란 갈릴리안 위성들(갈릴레이가 발견한 위성들)은 수성이나 명왕성과 크기가 비슷하기 때문이다. 특히 가니메데는 수성과 명왕성보다도 덩치가 크다. 목성이 지금보다 더 커서 목성 내부의 압력과 온도가 핵융합 반응을 일으킬만하면 정말로 태양은 목성과 함께 이중성이 되었을 것이다. 그러난 사실 목성과 목성의 10개가 넘는 위성들을 살펴보면 조그만 태양계라고 할 수 있다. 이들 위성은 목성의 둘레를 원형에 가까운 궤도를 그리며 돌고 있다.

작은 태양계

이들 위성 중 목성에 제일 가까운 위성은 메티스와 아드라스테아다. 이들은 목성의 표면에서 불과 4만7천km 상공에서 목성을 돌고 있다. 지구와 달 사이가 약 30만km인 것과 목성이 지구보다 지름이 11배 이상 큰 점을 생각할 때 이 두 위성에 서서 목성을 보면 하늘 전체의 반이상이 목성의 표면으로 꽉 차 있을 것이다.

(사진1)은 갈릴리안 위성들, 즉 칼리스토가니메데 에우로파 이오에서 목성을 보았을 때의 광경이다. 목성표면에서 이오까지의 거리가 약 35만km이므로 메티스와 아드라스테아에서 보면 이오에서 본 목성보다 지름은 약 6배 이상, 목성의 표면적은 약 38배 더 커 보일 것이다.

메티스와 아드라스테아는 보이저 인공위성에 의하여 1979년에 발견되었다. 지름은 각각 약 40km와 30km이며 모습은 불규칙한 형태다.

그 다음 위성은 아말테아로서 미국의 바나드 박사에 의해 1892년 발견되었다. 이 위성은 구의 형태를 가지지 못하고 소행성의 형태를 갖고 있다. 크기는 270×170×150km다 아말테아는 목성의 표면에서 약 11만km되는 곳에 있다.

그다음 위성은 테베로서 보이저 인공위성에 의해서 1979년 발견되었는데 크기는 약 80km이고 역시 소형성과 비슷한 형태를 갖고 있다. 목성의 표면에서 약 15만km되는 곳을 돌고 있다.

(사진 1) 갈릴리안 위성에서 본 목성 상상도^왼쪽부터 칼리스토 가니메데 에두로파 이오. 이들은 목성 반지름의 5배 8배 14배 25배되는 곳에서 목성을 돌고 있다.

가장 활발한 화산활동

갈릴리안 위성들은 각각 목성의 반지름에 약 5배 8배 14배 25배 되는 거리에서 목성을 돌고 있다(목성의 반지름은 약 7만1천4백km).

갈릴리안 위성들 중 가장 흥미로운 것은 역시 이오이다. 이오의 표면은 붉고(피자파이 같이 붉고 토마토케첩과 같음), 흰색(피자치즈 같은 색깔), 그리고 검은색(후추가루 뿌려놓은 색깔)으로 되어 있다(사진2). 이런 색깔을 띠게 된 주요 원인은 이오가 태양계의 위성중 가장 활발한 화산활동을 하기 때문이다.

(사진 2) 화산활동으로 다양한 색깔을 띠는 이오의 표면층

지구와은 달리 이오가 화산활동을 할 수 있게끔 그 내부가 뜨겁게 녹은 이유는 목성의 강력한 조석력 때문이다. (그림1)에서 보듯이 이오는 목성의 조석력에 의해서 궤도의 위치에 따라 형태가 바뀌므로 내부의 강한 마찰력에 의해 이오 내부는 강한 열이 발생하여 녹아 버린다.

(그림1) 궤도에 따라 위치가 변하는 이오

이오의 지각(crust)은 녹은 용암 위에 떠있는데, 화산활동으로 검은색의 유황을 표면에 뿜어낸다. 이오의 표면은 산화된 유황 등 여러가지 형태의 유황이 포함된 물질들로 구성돼 있다. 유황이 포함된 물질들은 그 분자 결합에 따라 색깔이 다르므로 이오의 표면은 여러가지 색깔을 띤다.
(사진3)은 이오의 분화구에서 나온 용암들이 강처럼 구비구비 흐른 자국을 보여준다. 이 용암이 흐른 길이는 약 2백km나 된다.

(사진3) 이오의 분화국에서 용암들이 강처럼 흐른 자국이 선명하게 보인다.

(사진4)는 이오의 화산이 분출하는 것을 보이저 인공위성이 촬영한 것이다. 이러한 화산은 화산재를 1백km 이상 되는 먼 곳 까지 뿜어낸다.

지금까지 이오의 표면에서 여러개의 활화산과 많은 휴화산이 발견되었는데, 이러한 화산활동으로 인해 화산지대의 온도는 5백-6백K까지 된다. 이오는 태양에서 멀어, 화산활동이 없다면 온도는 기껏해야 1백50K 미만이다. 그러므로 적외선으로 이오를 찍으면 1/10이 안되는 화산지역에서 이오의 열선 거의 다를 발산한다.

(사진 4) 다양한 화산폭발장면^③ 필레화산, ④프로메테우스 화산, ⑤로키화산

이러한 화산활동으로 이오는 엷은 대기를 가지게 되었다. 그중 S${O}_{2}$는 대기를 구성하는 주요분자로 보이저의 적외선 측정기로 발견되었다. 대기의 밀도는 지구 대기의 1백만분의 1보다도 적다. 이러한 희박한 대기로 인해 태양의 자외선은 이오의 표면까지 도달하고, S${O}_{2}$는 자외선에 의해 S${O}_{2}^{+}$로 이온화되든지 SO+O로 분해된다. SO는 다시 분해돼 S와 O로 된다. S와 O는 다시 이온화되어 ${S}^{+}$ ${S}^{++}$ ${S}^{+++}$ ${O}^{+}$ ${O}^{++}$등으로 나뉜다.

그러므로 이오의 대기는 이온층일 수밖에 없고 또 온도도 높아진다. 온도가 높아지면 이온들의 속도가 빠르게 되므로 이오의 중력으로 이 이온들을 지킬 수 없다. 결국 이이온들은 이오를 빠져나와 이오의 공전궤도에 1차 머물게 돼 이오의 공전궤도를 중심으로 도넛 모양의 이온화된 구름을 형성한다. 이 이온들은 전자들과 충돌되며 중성화될 수도 있다. 이러한 이온들 내지 중성 구름을 이오 토러스라고 부른다. 이 토러스 안에는 나트륨(Na)도 발견되었다.

이오로부터 이오 토러스로 주입되는 입자들의 양은 1초에 1t가량 된다. 이것은 1초에 ${10}^{29}$개 정도의 분자들에 해당한다. 이오 토러스에서 목성의 자기권으로 들어가는 양의 숫자도 위의 양과 똑같다.

(그림2)는 목성의 자기권과 이오 토러스, 칼리스토 궤도, 그리고 목성의 자전축과 목성의 자기극을 각각 보여준다. 태양풍이 목성의 자기권과 부딪쳐 활꼴충격(bow shock)을 만든다. 따라서 태양풍이 직접 목성의 자기권에 들어오지는 못한다. 그러나 결국은 많은 양의 태양풍속 입자들이 활꼴충격을 뚫고 목성의 자기에 휘말려 자기권속으로 주입된다.

(그림2)목성의 자기권과 이오토러스

목성의 자기권

여기서 우리는 목성의 자기권 속의 입자들은 이오와 태양풍으로 부터 오는 것을 알 수 있다. 이 입자들은 플라스마라고 불린다. 왜냐하면 대부분 이온화되어 있기 때문이다.

목성의 대부분의 자기권은 목성과 거의 같은 속도로 돌고 있다. 목성의 자전시간은 10시간 가량 되는데 이같은 자전속도는 태양계 행성 중 가장 빠른 속도에 해당한다. 목성의 반지름이 지구보다 12배 가량 되고 지구의 자전시간은 24시간이므로 그 빠른 속도를 짐작할 수 있다. 그런데 목성의 자기권은 목성 반지름의 1백배 가량 되는 크기이므로 자기권 끝의 회전속도는 1초에 약 1천km다.

목성의 자기권 속에 주입된 입자들은 이온화돼 있는 상태이므로 목성의 자기에 즉시 감기게 되고, 감긴 이온들은 빠른 속도로 도는 자기권과 함께 돌기 때문에 높은 에너지를 순식간에 얻게 된다. 자기권 속에 입자들의 운동, 분산, 에너지화과정은 아직도 잘 알려지지 않는 분야이다. 그러나 1초에 수천km 속도로 움직이는 입자들 중 일부는 고에너지화되기도 한다.

전자들은 1-1백KeV, 이온들은 1-1백MeV정도 가속되면 이러한 입자들은 결국 목성의 극지방을 때리게 된다. 이 결과 지구에서와 비슷한 오로라(극광)를 형성하게 된다. 목성의 오로라는 X선 자외선 가시광선 적외선 및 전파를 내는 것으로 알려져 왔다.

X선 오로라는 미국의 HEAO-2인 X선 인공위성에 의해 처음 발견되었고, 자외선 오로라는 미국의 IUE인공위성과 허블망원경에 의해 관측됐다.

가시광선 오로라는 지구에서 관측하지 못하고, 보이저 인공 위성에 의해 1979년 그 일부만을 관측했을 뿐이다. 적외선 오로라는 지상의 적외선 망원경에 의해 여러 파장에 걸처 관측돼 왔는데 ${H}_{3}^{+}$ 이온에 의한 3.4미크론 영역의 적외선 오로라가 가장 밝고 아름답다. 이 ${H}_{3}^{+}$ 오로라는 필자와 바론박사에 의해 1991년 세계 최초로 촬영됐다(사진5).

(사진 5)목성의 적외선 오로라

에우로파 가니메데 칼리스토 위성들은 분화구가 없으므로 이오와 같이 활발히 자기권의 플라스마에 입자들을 주입시키지 못한다. 그러나 우주선이나 태양의 X선 등이 이들 위성표면에 부딪쳐 입자들을 방출하므로 이오에 비해서 아주 적은 양이나마 목성의 자기권에 입자들을 공급하고 있다.

(그림3)은 최근까지 연구된 갈릴리안 위성들의 내부 구조다. 흥미있는 것은 이오를 제외한 이들 위성의 지각밑에 물층이 있을 가능성이 높다는 것이다. 물은 역시 생명이 있을 수 있는 첫번째 필요조건이다. 목성만큼 떨어져 있으면 태양광선이 옅어지므로 이들 위성의 표면은 1백20K, 즉 영하 1백50℃로 상상하기 힘든 추운 온도다. 그러나 얼음으로된 지각에 의한 온실효과와 이들 내부에서 방사성원소의 방사선 방출은 지각 밑의 얼음층을 녹여내어 물층으로 만들 수 있다. 성급한 사람들은 물층이 있다면 생명체도 있을 수 있다는 주장을 하기도 한다.

(그림3)갈릴릴안 위성들의 내부 구조

(사진6,7,8)은 에우로파 가니메데 칼리스토의 표면을 각각 상세히 보여준다. 에우로파 표면은 마치 스케이트장 같이 얼음판에 줄이 많이 그어져 있다. 이 줄들은 표면이 알 수 없는 어떤 힘에 의해 갈라졌다가 밑에서 나온 물에 의해 다시 얼었다는 것을 보여준다. 가니메데와 칼리스토의 표면은 아주 평평한 빙판에 돌멩이를 던진 것 같은 자국들이 많이 있다. 별똥별이나 운석들이 이들 표면에 충돌한 것으로 추측된다. 이들 표면에 운석들이 충돌하고 난 뒤에 하얀 얼음 가루들을 주위에 뿌렸다고 할 수 있다.

(사진 6) 에우로파의 표면^마치스케이트장과 같다. (사진7) 가니메데의 표현^빙판에 돌멩이를 던진 것과 같은 자국이 나 있다.

행성 천문학자들은 이 운석공들의 크기나 빈도수를 조사한 결과 칼리스토와 가니메데의 표면은 달이나 화성의 오래된 표면과 나이가 같고, 에우로파는 보다 젊으며, 이오의 표면은 가장 젊은 것으로 나타났다. 사실 이오의 표면은 운석공들을 거의 찾아볼 수 없다.

칼리스토의 표면은 운석들이 표면을 때리고 이로인해 하얀 얼음가루가 흩뿌려져 있다고 할 수 있다.

목성도 테를 가졌다

(사진9)는 목성의 테를 보이저 인공위성이 목성의 뒷쪽에서 찍은 것이다. 목성의 테는 토성의 테보다 규모가 작고, 어두운 색깔로 되어있기 때문에 지상에서 관측이 어렵다. 이 테는 1979년 보이저에 의해 처음 발견되었다. (사진9)의 둥근테두리는 목성의 높은 상공에 있는 작은 입자들이 햇빛에 비쳐서 둥글게 보인 것이다. (사진10)은 목성의 테를 보다 자세히 확대해서 본 것인데 이 테가 단순한 구조로 되어있지 않음을 보여준다.

(사진 9) 보이저가 직은 목성 테

목성의 테는 다른 행성의 테와 마찬가지로 중력에 의해서만 만들어지지 않고, 전자기 힘에 의해서도 큰 영향을 받는다. 이들 테는 작은 입자들로 되어있고 전하를 띠기 때문이다. 또한 이들은 자기권내에 있기 때문에 결국 자기권내의 자력에 의해 그 운동과 형태를 지배받게 된다. 물론 중력도 중요한 노릇을 한다.

목성의 테는 목성의 표면으로부터 5만7천km에 위치한다. 앞서 소개한 작은 위성들, 메티스와 아드라스테아도 같은 위치에서 목성을 돌고 있다. 사실 이 두 위성은 목성의 테 속에 있다고 보아도 무방하다. 그러므로 이 두 위성은 목성 테의 생성과 밀접한 관계가 있다고 추측할 수 있다. 한 가능성으로 오래전에 목성을 스쳐가던 두 위성이 서로 충돌했거나, 아니면 목성의 조석력에 의해 부서져서 이 테가 만들어지고 메티스와 아드라스테아는 그 잔재가 아닐까 하는 추측이다.

(사진 10)목성 테를 보다 자세히 확대한 모습

소행성급 위성들

앞에서 소개한 크고 작은 위성들 외에 목성은 8개의 작은 위성들을 가지고 있다(표). 이들은 1904년부터 1974년까지 미국 및 영국의 과학자들에 의해 발견되었다. 이들의 크기는 수km에서 수십km로 소행성의 모습처럼 불규칙하다. 맨 바깥의 시노페는 목성을 한번 도는데 무려 2년 이상 걸린다. 목성에서의 거리는 지구에서 달까지의 거리에 80배 정도된다. 목성계는 역시 조그만 태양계라고 불릴만 하다.

(표)목성의 위성들

트로얀과 그리크 소행성들은 목성과 태양이 그리는 중력안정처에서 모여 사는 작은 소행성들이다. 이들 소행성들은 태양과 목성을 긋는 선을 밑변으로 하는 정삼각형의 꼭지점 근처에 모여 있다. 이곳은 중력의 '말안장'이라는 곳으로 소행성이 지나가다가 이 말안장에 잡혀버리는 곳이다. 따라서 일정한 소행성의 수가 이곳에서 유지된다(그림4). 따라서 목성은 이들 소행성들을 마치 목자가 양떼를 끌고다니듯 하면서 태양주위를 몰고다니는 것이다.

이번에 충돌하는 슈메이커-레비혜성도 트로얀이나 그리크 소행성에서 무슨 까닭인지 모르지만 퉁겨져나와 목성과 부딪치게 되지 않았나 하는 것이 행성 천문학자들 일부의 추측이다.

(그림4)에서 보듯 과연 목성은 태양과 함께 태양계 중력을 장악하고 있다. 맨 앞에서 언급했듯이 태양과 함께 이중성을 이룬다는 일부 행성학자들의 주장에 어느 정도 공감이 간다. 토성도 상당히 크지만 토성과 태양사이에서 이같은 소행성의 '목장'은 없다.

(그림4)트로얀과 그리크 소행성들