우주학 목성 가장 큰 행성

우주학 목성 가장 큰 행성

 

목성은 태양계의 다섯번째 행성이자 가장 큰 행성이다. 태양의 질량의 천분의 일배에 달하는 거대행성으로, 태양계에 있는 다른 모든 행성들을 합한 질량의 약 2.5배에 이른다. 목성은 토성과 마간가지로 거대 기체 행성이다. 목성은 고대 천문학자들에게도 잘 알려져 있는데, 로마인들은 목성에 로마 신화의 신인 유피테르의 이름을 붙였다. 동양에서 목성의 명칭은 오행 중 하나인 나무에서 유래되었다. 세성이라고도 부른다. 목성은 지구에서 봤을 때 겉보기등급이 -2.94에 이르기 때문에, 반사광이 그림자를 형성하기에 충분할 정도로 밝다. 그래서 목성은 밤하늘에서 평균적으로 달과 금성 다음 즉, 세번째로 가장 밝은 천체에 해당한다.

 

 

 

 

 

목성은 주로 수소로 이루어져 있다. 헬륨은 목성을 이루는 전체 분자 개수의 실분의 일 정도만을 차지하지만 목성의 질량의 사분의 일을 차지한다. 그리고 목성은 중원소로 이루어진 암석형 핵을 가지고 있으며, 다른 거대 행성들과 같이 뚜렷한 고체 표면이 없다. 빠른 자전으로 인해서 행성의 모양은 편구모양이다. 외곽 대기는 위도에 따라 몇 가지의 띠들로 눈에 띄게 구분되는데, 서로 상호작용하는 경계선을 따라 발생하는 난류와 폭풍에 의한 것이다. 그로 인해 발생한 유명한 결과물로는 대적점이 있는데, 대적점은 적어도 망원경을 통해 최초로 관측된 17세기부터 존재한 거대한 폭풍이다. 목성의 주변은 희미한 고리계와 강력한 자기권이 있다. 목성은 1610년에 갈릴레오 갈릴레이가 발견한 가장 큰 네 개의 갈리레이 위성을 포함하여 적어도 67개의 위성을 가지고 있다. 이들 중 가장 큰 가니메데의 직경은 행성인 수성의 직경보다도 크다.

 

목성은 여러 시기에 무인 탐사선을 통해 탐사되어 왔다. 그 중 플라이바이 임무 기간 동안의 초기 파이오니어 및 보이저와 이후의 갈릴레오 궤도 탐사선이 가장 유명하다. 2007년 2월 말에 뉴허라이즌스가 목성의 중력을 이용하여 가속하고 궤적을 명왕성으로 변경하였다. 목성을 가장 최근에 탐사한 탐사선은 2016년 7월 4일에 목성에 도달한 주노이다. 차후의 목성계 탐사 대상은 유라파의 표면 아래 있을 액체 바다일 것이다.

 

그래서, 지구와 그 주변의 행성들은 목성과 충돌로 인해 파괴된 태양 근처의 슈퍼지구들의 잔재로부터 형성되었다. 과학자들이 대전이 가설이라 부르는 가설에 따르면 목성이 태양계 안쪽으로 침투하면서 중력에 의한 잡아당김과 끌기로 인해 슈퍼지구들의 궤도가 겹쳐지기 시작하면서 이들 사이에서 여러 충돌이 발생하였다.

 

천문학자, 우주학자들은 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 있다. 목성과 같은 거대기체행성 또한 종종 목성과 가까이서 발견된다. 따라서, 목성이 태양계 안쪽에서 튕겨져 나오면서 지구를 포함한 내행성들이 형성될 수 있었다.

목성의 상층부 대기는 약 88~92%의 수소와 8~12%의 헬륨으로 이루어져 있다. 참고로 이는 개수밀도 조성비인데, 헬륨 원자가 수소 원자보다 네 배나 무겁기 때문에 질량비로 조성을 기술할 때 다른 원자에 의해서 조성이 바뀌기 때문이다. 질량에 따른 목성의 대기는 약 75%의 수소와 24%의 헬륨으로 구성되어 있으며, 나머지 일 퍼센트만이 다른 원소들로 이루어져 있다. 목성의 내부는  그 질량의 대략 71%가 수소, 24%가 헬륨, 5%가 다른 원소들로 이루어져 있다. 목성의 대기는 미량의 메테인, 수증기, 암모니아, 규소화합물을 포함하며, 또한 미량의 탄소, 에테인, 황화수소, 네온, 산소, 포스핀, 황 등으로 이루어져 있기도 하다. 대기의 최외곽층은 얼음 암모니아 결정을 포함한다. 적외선 및 자외선 분석을 통해서는 미량의 벤젠과 탄화수소들이 발견되기도 한다.

 

하지만 대기의 수소 및 핼륨의 비율은 원시 대량 성운의 이론적인 조성과도 가깝다. 상층부 대기의 네온은 질량비로 단 20 ppm을 차지하는데, 이는 태양의 십분의 일 정도다. 헬륨 또한 태양의 헬륨 조성의 약 80% 정도로 감소하였는데 이러한 감소는 행성 내부로 원소들이 침전된 결과이다. 분광학에 따르면 토성은 목성의 조성과 유사할 것으로 여겨지지만 천완성과 해왕성은 수소와 헬륨이 상대적으로 훨씬 적다.

 

목성은 지구가 태양을 11.86번 공전할 때 한번 공전한다. 목성은 태양과의 무게중심이 태양의 체적 바깥에 위치한 유일한 행성으로, 그 무게 중심은 태양 표면으로부터 태양 반지름의 7% 밖에 위치한다. 목성과 태양 사이의 평균 거리는 7억 7,800만 km이며 11.86년 마다 한 번씩 공전을 완주한다. 이 주기는 토성의 공전주기의 2/5배로, 즉 태양계에서 가장 큰 두 행성은 5:2궤도 공명을 이루고 있다. 목성의 타원궤도는 지구에 대해 1.31도 기울어져 있다. 0.048의 궤도이심률 때문에 태양에 대한 목성의 거리는 가장 가까운 지점에서부터 가장 먼 지점까지 약 7,500만 킬로미터 차이난다.

 

하지만 목성의 자전축 경사는 약 3.13도로 상대적으로 작다. 때문에 목성은 지구나 화성에 비해 큰 계절적 변화를 겪지 않는다. 목성의 자전은 10시간 이내로 한바퀴를 완주할 만큼 대양계의 모든 행성 중에서 가장 빠르다. 이러한 자전으로 인해서 목성은 지상의 아마추어 망원경을 통해서 쉽게 확인할 수 있을 정도로 적도 팽대부가 만들어진다. 행성의 모양은 그지름보다 적도지름이 더 큰 편구 모양이다. 목성의 적도지름은 극지름보다 9,275 km 더 길다.

 

그럼에도 불구하고 목성은 고체가 아니기 때문에 행성의 상층부 대기는 차등회전을 겪는다. 목성의 극 대기의 자전은 적도 대기의 자전보다  주기가 5분 더 길다. 그래서 트깋 대기 현상의 운동을 도표화하기 위해서 세가지 계가 기준 좌표계로 사용된다. 제일회전계는 북위 10도에서 남위 10도까지 적용된다. 제일회전계의 자전주기는 9시간 50분 30초로 목성에서 가장 짧다. 제이회전계는 그 외의 모든 위도에서 적용되는데, 자전주기는 9시 55분 40.6초이다. 제삼회전계는 전파천문학자들이 처음으로 밝혀낸 것으로, 목성 자기권의 자전과 상관있다. 제삼회전계의 자전주기는 목성의 공식적인 자전주기로 쓰인다.

 

목성의 자기장은 적도에서 4.2 가우스, 극에서 10~14 가우스에 이르기 때문에 지구의 자기장보다 14 배가 강하며, 태양계에서 흑점을 제외하고 가장 강력하다. 이러한 자기장은 액상 금속성 수소핵 속 물질들의 소용돌이 운동으로 인한 맴돌이 전류에 의해 발생하는 것으로 여겨진다. 목성의 위성인 이오의 화산활동으로 대량의 이산화황이 방출되면서 위성의 궤도를 따라 기체 토러스가 만들어지는데, 이 기체는 목성의 자기권에서 이온화되어 황이온과 산소이온이 된다. 이들은 목성의 대기에서 기원한 수소이온과 함께 목성의 적도면에 플라스마판을 형성한다. 판 속의 플라스마는 목성에 대해 반대로 회전하기 때문에 쌍극자 자기장을 자기원반의 자기장으로 변형시킨다. 플라스마판 속의 전자는 강력한 전파를 방출하여 0.6~30 MHz 범위에서 폭발을 일으킨다. 목성의 중심으로부터 약 75 목성반경 지점에서 자기권과 태양풍의 상호작용으로 충격파가 발생한다. 목성의 자기권 주변은 자기권 외피층의 안쪽 가장자리에 위치해 있는 자기권계면으로 덮혀있다. 이 영역과 태양풍이 상호작용하면서 목성의 태양 반대편 자기권은 길게 늘여지게 되는데, 거의 토성의 궤도에 이를 정도로 길게 뻗는다. 목성의 가장 큰 네 위성은 모두 목성의 자기권 속을 공전하기 때문에 태양풍으로부터 안전하다.

 

목성의 자기권은 행성의 극지역에서 여러차례 발생하는 강렬한 전파 방출의 원인이다. 위성 이오의 화산활동으로 인해 기체가 목성의 자기권으로 분출되어 행성 주변에 입자 토러스를 형성한다. 이오가 이 토러스 속을 움직이면서 알펜파를 일으키는데, 이 때문에 이온화된 물질이 목성의 극지역으로 이송된다. 이러한 결과로 사이클로트론 메이저 기작을 통해 전파가 발생하며, 그 에너지는 원뿔형 표면을 따라 전송된다. 지구가 이 원뿔과 상호작용 할 때 목성의 전파 방출은 태양의 전파 방출양을 넘어서기도 한다.