우주학 목성 목성의 행성 이오

우주학 목성 목성의 행성 이오

이오는 목성의 위성 중 하나로 갈릴레이 위성에 속하는 위성이다. 지름은 3.642km 으로 태양계에서 네 번째로 큰 위성이며 목성의 위성 중 세 번째로 크다. 이 위성의 그름은 그리스 신화에서 제우스의 연인 중 한명이자 헤라의 여사제인 이오를 따서 지었다.

400개 이상의 활화산을 가진 이오는 태양에서 지질학적으로 가장 활발하게 움직이는 위성 중 하나다. 이오의 극단적인 지질 활동은 목성과 다른 갈릴레이 위성인 유로파, 가니메데, 칼리스토가 밀고 당겨 생기는 조석 가열 때문이다. 여러 화산들은 표면 위 500km까지 황과 이산화 황의 연기를 뿜어내고 있다. 이오의 표면은 규산염 지각에서 벌어지는 압축에 의해 생긴 100개 이상의 산이 덮고 있다. 그 중 일부는 에베레스트 산보다 더 크다. 이오의 구성은 외태양계에 있는 다른 위성들과 다르다. 외태양계의 위성들은 주로 얼음으로 구성되어 있는 반면, 이오는 용융 상태의 철과 철 핵을 둘러싼 규산염 암석으로 이루어져 있고, 표면은 황과 이상화 황의 서리로 덮여 있다.

이오의 화산들은 독득한 기능을 각각 담담하고 있다. 화산 폭발로 파편을 날리고 용암을 흐르게하여 표면을 노란색, 빨간색, 희색, 검은색, 초록색 황 화합물로 덮는다. 광범위한 용암 분출은 500km 범위까지 퍼져나가며, 표면에 자국을 남긴다. 이 화산 활동으로 생성된 물질들은 이오의 표면을 얇게 덮고 얕은 대기를 형성하며, 일부는 목성의 광범위한 자기권에 들어가기도 한다. 이오의 화산 분출물들은 목성에 엄청난 크기의 플라즈마 고리를 형성한다.

이오는 17~18세기 천문학의 발전에 중요한 역할읗 했다. 이오는 갈리렐오 갈릴레이가 발견했고, 다른 위성들과 묶여 갈리레이 위성으로 불린다. 이오의 발견은 코페르니쿠스의 태양 중심설을 채택하게 하는 계기가 되었고, 요하네스 케플러의 운동 법칙을 개발하는 계기가 되었으며, 최초의 빛 속도 측정 대상이 되었다. 지구에서 이오는  19세기 후반투버 20세기 초까지 극은 붉고 적도 쪽은 밝다는 것까지 알려졌으며, 그 후 표면의 대규모 용암 형상을 관측할 수 있게 되었다. 1979년, 두 대의 보이저 탐사선은 이오가 지질학적으로 활발한 위성임을 밝혀 냈고, 거대한 화산들과 충돌구들이 비정상적으로 젊다는 것도 관측하였다. 갈릴레오 호는 1990년도와 2000년도에 이오를 지나치며 관측했고, 이오의 배누 구성과 표면 조성에 대한 정보를 얻어냈다. 또한 탐사선들은 목성 자기권의 연관관계와 이오 궤도 주변의 방버선 띠의 유무도 밝혀 내었다. 이오에는 하루에 3600 Rem의 방사선이 들이친다.

또한 2000년에 카시니-하위헌스호와 2007년 뉴 허라이즌스 호가 목성을 지나치며 이오를 관측했고, 지구의 허블 우주 방원경도 계속해서 이오를 관측하고 있다.

시몬 마리우스는 갈리레이 위성의 단독 발견자로 인정받지는 않으나, 그가 제기한 갈길레이 위성들의 이름은 현재 널리 쓰이고 있다. 그는 1614년 저작에서 위성 넷 중 목성에 가장 가까운 천체에 목성의 수성 이나 목성계 행성들 중 첫째 등의 이름을 붙이는 것을 제안했다. 1613년 10월 요하네스 케플러의 제안에 기초하여, 시몬 마리우스는 갈릴레이 위성 넷에 그리스 신화의 제우스 혹은 그와 동격인 로마 신화 유피테르이 연인 이름을 붙이는 작명법을 고안해 냈다. 그는 넷 중 목성과 가장 가까운 위성에 이오의 이름을 붙였다. 마리우스가 지은 이름은 이후 수세기 후에야 널리 쓰이게 되었고, 초장기 천문학 문헌 대부분에는 이오를 보통 목성 I 또는 목성의 제1 위성 처럼 로마 숫자 명칭으로 기록했다.

하지만, 표면에 화산이 가득한 위성 속성에 맞게, 이오 표면의 지형에는 이오 신화 속 인물과 장소, 불,화산,태양,번개를 상징하는 세계 각국 전설 속의 신들, 단테의 신곡에 나오는 인물과 장소 명칭이 붙었다. 국제 천문 연맹은 보이저 1호가 처음으로 근접 영핫을 보내 온 이래 이오의 화산, 산, 평원, 고반사도 지형 명칭 225개를 승인했다. 이렇게 승인된 지형 명칭 중 화산활동으로 생긴 구조를 가리키는 것으로는 파테라, 활성 분출 중심 등 넷이 있다. 이밖에 산악 지대는 몬스, 고원은 멘사 층을 이룬 대지는 플라눔, 순상화산은 툴루스로 각각 명명되었다. 반사율 높아 밝은 지대는 레지오로 불린다. 이상의 명칭을 써서 명명된 지형의 예로는 프로메테우스, 판 멘사, 트바쉬바 파테라, 취고압 플룩투스 등이 있다.

이오의 발견을 최초로 공표한 사람은 갈리레오 갈릴레이로 1610년 1월 7일 파도바 대학교에서 20배율 굴절 망원경을 사용하여 관측했다. 그러나 이 관측에서 갈리레이는 망원경의 성능이 낮았던 탓에 이오와 유로파를 하나의 천체로 인지했고, 둘을 하나의 광점으로 기록했다. 바로 다음날 1610년 1월 7일 파도바 대학교에서 20배울 굴절 망원경을 사용하여 관측했다. 그러나 이 관측에서 갈릴레이는 망원경의 성능이 낮았던 탓에 이오와 유로파를 하나의 천체로 인지했고, 둘을 하나의 광점으로 기록했다. 바로 다음날 1610년 1월 8일 갈릴레이는 목성계를 다시 관측하여 이오가 유로파와 분리된 천체임을 알아냈다. 갈릴레이는 1610년  3월 이오와 나미저 목성의 위성들의 발견 사실을 출판했다. 시몬 마리우스는 1614년 그가 출판한 저작에서 본인이 이오를 포함한 목성의 위성들을 갈릴레이의 발견일보다 일 주일 먼저 1609년에 발견했다고 주장했다. 갈릴레이는 이 주장을 의심했고 마이루스가 자신의 발견을 표절한 것으로 취급하여 무시했다. 사실 마리우스의 최초 발견일인 1609년 12월 29일은 율리우스력으로 이는 갈릴레이가 사용한 그레고리력으로는 1610년 1월 8일에 해당된다. 둘의 발견일은 같지만 마리우스보다 먼저 발견을 공포한 갈릴레이가 이오의 발견자로 인정받는다.

이후 250년동안 이오는 천문학자들의 망원경 속에서 잘 알려지지 않은, 5등급 밝기의 광점으로 남아 있었다. 17세기에 이오를 포함한 갈릴레이 위성들은 경도를 정하거나, 케플러의 행성 운동 법칙을 검증하는 데 이용되거나, 목성과 지구 사이 빛이 도달하는 데 걸리는 시간을 재는 등 여러 연구 목적으로 활용되었다. 카시니 외 여러 천문학자들이 만든 천체력에 기반하여 피에르시몽 파플라스는 이오, 유로파, 가니메데의 궤도 공명을 설명하는 수학 이론을 만들었다.  이 곰영은 훗날 세 위성의 지질학 연구에 지대한 영향을 끼치게 된다. 19세기 말에서 20세기에 이르러 천문학자들은 향상된 망원경 기술력 덕분에 이오 표면의 거대한 특징들을 분해하여 관측할 수 있게 되었다. 1890년대에 에드워드 바나드는 최초로 이오의 적도와 극 지역 둘의 밝기에 차이가 있음을 발견했다. 바나드는 이 밝기 차이의 원인이 본인이 애초 제기했던 이오가 두 개의 별개 천체라든가 또는 당시 동료 천문학자였던 애드워드 피커링의 주장대로 이오가 계란 모양으로 생겼기 때문이 아니라, 두 지역이 서로 색채 및 알베도가 다르기 때문이라고 정확히 지적했다. 이후 망원경 관측으로 뚜렷하게 적갈색 빛을 내는 이오 극지대와 적도의 황백색 띠 구조를 확인했다.

따라서, 20세기 중반 망원경 관측으로 평범하지 않은 이오 외관의 실마리가 풀리기 시작했다. 분광기를 이용한 관측경과 이오 표면에 물은 없으며 대신 나트륨의 소금과 황으로 이루어진 증발 물질들이 표면을 뒤덮고 있는 것으로 추측했다. 라디오 망원경 관측으로 테카미터 파장 폭발이 이오의 공전 주기와 연관이 있음을 확인, 이오가 목성 자기장에 미치는 영향을 밝혀냈다.

우주학 목성 공전과 자전

이오, 유로파, 가니메데의 라플라스 공명

이오는 목성의 중심부로부터 42만 1700 킬로미터, 목성 대기 상층부로부터 35만 킬로미터를 떨어져 공전하고 있다. 이오는 갈릴레이 위성 중 가장 안쪽을 돌고 있으며 그 궤도는 테베와 유로파 사이에 있다. 목성에 근접한 위성까지 포함하면 이오는 목성으로부터 다섯 번째로 가깝다. 이오는 목성을 한 번 공전하는데 42.5시간이 걸리는데, 이는 하룻밤 사이에 그 움직임을 볼 수 있을 정도로 빠른 속도이다. 이오는 유로파와 2:1 궤도 공명을 보이고, 가니메데와는 4:1 궤도 공명을 보인다. 이는 유로파가 목성을 한 번 돌 때 이오는 두 번 돌고, 가니메데가 목성을 한 번 돌 때 이오가 네 번을 본다는 뜻이다. 이 궤도 공명으로 이오의 공전궤도 이심률은 0.0041로 유지되며, 이오에 열을 공급하여 지질학적 활동을 만드는 주원인이 된다. 이렇게 강제적으로 궤도가 일그러지지 않는다면 이오의 궤도는 조석 가속을 통해 원 모양이 될 것이고 이오는 지질학적으로 좀 더 조용한 세계가 될 것이다.

하지만 달이나 다른 갈릴레이 위성들처럼 이오는 공전 주기와 자전 주기가 일치하며, 목성을 향해 한쪽 면만을 계속 향하고 있다. 이 일치성으로 인해 이오의 경도 체계가 만들어진다. 이오의 본초 자오선은 이오와 목성의 직하점에서 적도와 교차한다. 항상 목성을 바라보는 면을 목성 직하 반구로 부르며, 반대로 목성을 항상 등지는 면을 목성 반대 반구로 부른다. 또 공전 궤도상 움직이는 방향을 항상 바라보는 면을 순행 반구로 부르며, 반대로 공전 방향의 반대쪽을 바라보는 면을 역행 반구로 부른다.

우주학 목성 자기권과의 상호작용

목성 자기권의 모습과 이오가 주는 영향 : 플라스마 고리, 중성 구름, 선속관, 자기력선

이오는 목성의 자기권을 형성되는 데 큰 영향을 준다. 목성의 자기권은 이오의 희박한 대기로부터 초당 1돈의 속도로 기체와 먼지를 끌어당긴다. 이오로부터 나오는 물질은 이온화, 원자화된 유황, 산소, 염소, 나트륨, 칼륨, 분자 형태의 이산화 황과 유황, 먼지 모양의 염화 나트륨이 대부분을 차지한다. 이 물질들은 이오의 화산 활동으로 태어났지만, 이오에서 탈출한 물질은 이오의 대기로부터 나온 것이다. 이 물질들은 이온화된 상태 및 조성 때문에 여러 형태의 중성 구름이 되거나 목성 자기권 내에서 방사선대를 형성한다. 물질 중 일부는 영원히 목성계로부터 떨어져 나가기도 한다.

표념으로부터 이오 반지름의 6배에 이르는 거리까지 중성 황, 산소, 나트륨, 칼륨 원자로 이루어진 구름이 이오를 둘러싸고 있다. 이 입자들은 이오의 상층 대기에서 나온 것이며 플라스마 토러스 내의 이완과 충돌하여 들뜨고, 나머지 과정을 거쳐 이오의 힐 구를 채운다. 이 물질 중 일부는 이오의 중력을 벗어나 목성 주위 위성 공전 궤도에 이른다. 20시간의 주기에 걸쳐 이 입자들은 바나나 모양의 중성구름을 만드는데, 그 범위는 이오의 공전 궤도 안쪽 및 바깥쪽, 공전방향 및 역행 방향을 포함하여 이오로부터 목성 반지름 여섯 배 만큼 떨어진 거리에 걸친다. 토러스를 구성하는 입자 중 나트륨 이온에 전자가 공급되면 들뜨게 되며, 이 빠른 중성물질들은 토러스에서 탈출한다. 이 입자들은 속도를 유지하므로 이오로부터 제트 형태로 쫓겨 나온다.