목성

목성

목성은?

목성은 태양계의 다섯 번째 행성이자 가장 큰 행성이다. 태양의 질량의 1,000분의 1배에 달하는 거대 행성으로, 태양계에 있는 다른 모든 행성들의 합한 질량의 약 2.5배에 이른다. 목성은 토성과 마찬가지로 거대 기체 행성이다. 목성은 고대 천문학자들에게 잘 알려져 있었는데 , 로마인들은 목성에 로마 신화의 신인 츄피테르의 이름을 붙였다. 동양에서 목성은 명칭은 오행 중 하나인 나무에서 유래되었다.

 

신화에서는 세성이라고도 불렀다. 목성은 지구에서 봤을 때 겉보기 등급이 -2.94에 이르기 때문에, 반사광이 그림자를 생성하기에 충분할 정도로 밝다. 그래서 목성은 밤하늘에서 평균적으로 달과 금성 다음, 즉 세 번째로 가장 밝은 천체에 해당한다.

 

목성은 주로 수소로 이루어져 있다. 헬륨은 목성을 이루는 전체 분자 개수의 십 분의 일 정도만을 차지하지만 목성의 질량의 사분의 일을 차지한다. 그리고 목성은 중원소로 이루어진 암석형 핵을 가지고 있으며, 다른 거대행성들과 같이 뚜렷한 고체 표면이 없디. 빠른 자전으로 인해서 행성의 모양은 편구 모양이다.

 

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 개 의 갈릴레이 위성을 포함하여 적어도 79개의 위성을 가지고 있다. 이들 중 가장 크나 가니메데의 직경은 행성인 수성의 직경보다도 크다. 

 

목성은 여러 시기에 무인 탐사선을 통해 탐사되어 왔다. 그중 플라이바이 임무기간 동안의 초기의 파이오니어 및 보이저와 이후의 갈릴레오 궤도 탐사선이 가장 유명하다. 2007년 2월 말에 뉴호라이즌스 가 목성의 중력을 이용하여 가속하고 궤적을 명왕성으로 변경하였다. 목성을 가장 최근에 탐사한 탐사선은 2016년 7월 4일 목성에 도달한 주노이다. 차후 목성계 탐사 대상은 유로파의 표면 아래에 있을 액체 바다일 것이다.

 

 

형성 및 궤도전이 

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

 

천문학자들은 여러 개의 행성으로 이루어진 약 500개의 행성계를 발견하였으며, 이러한 계들은 주로 지구보다 수 배 이상 큰 질량의 행성(슈퍼지구)을 하나 이상 포함하여, 수성보다 더 가가운 거리에서 모성의 주변을 공전하고 있다. 목성과 같은 거대기체행성 또한 종종 모성과 가까이서 발견되다. 목성은 태양계 안쪽에서 튕겨서 나오면서 지구를 포함한 내행성들이 형성될 수 있었다.

 

 

구조 및 조성

 

목성은 주로 기체 및 액체 물질로 이루어져 있다. 목성의 직경은 적도에서 142,984km이다 밀도는 1.326 g/cm3으로, 태양계의 거대행성 중에서 두 번째로 크지만 지구형 행성의 밀도보다는 낮다.  목성의 상층부 대기는 약 88~92%의 수소와 8~12% 헬륨으로 이루어져 있다.

 

참고로 이는 개수밀도 조성비인데, 헬륨 원자가 수고 원자보다 네 배나 무겁기 때문에 질량비로 조성을 기술할 때 다른 원자에 의해서 조성이 바뀌기 때문이다. 질량에 따른 목성의 대기는 약 75%의 수소와 24% 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.

 

대기의 수소 및 헬륨의 비율은 원시태양 성운의 이론적이 조성과 가깝다. 상층부 대기의 네온은 질량비로 단 20 ppm을 차지하는데 이는 태양의 십 분의 일 정도다. 셀륨 또한 태양의 헬륨 조성의 약 80% 정도로 감소하였는데, 이러한 감소는 행성 내부의 원소들이 침전된 결과이다. 분광학에 따르면 토성은 목성의 조성과 유사할 것으로 여겨지지만, 천왕성과 해왕성은 수소와 헬륨이 상대적으로 훨씬 적다. 

 

목성의 질량은 태양계의 다른 모든 행성을 합한 질량의 2.5배로, 태양과 목성의 무게 중심이 태양의 중심으로부터 1.068 태양 반지름, 즉 태양의 표면 위에 자리 잡게 만들 만큼 매우 무겁다. 목성은 크기가 지구보다 훨씬 크지만 밀도는 상당히 낮다.

 

목성의 부피는 지구의 약 1,321 배이지만 질량은 지구보다 단 318 배 밖에 크지 않기 때문이다. 목성의 반지름은 태양의 반지름은 약 1/10배이며, 그 질량은 태양의 질량의 0.001 배이다. 따라서 두 천체의 밀도는 비슷하다. 목성의 질량은 다른 천체, 특히 외계행성과 갈색왜성의 질량을 기술할 때 종종 사용된다.

 

예를 들면 외계행성 HD 209458b의 질량은 0.69이며, 안드로메다자리카파 b의 질량은 12.8이다. 여러 이론 모형들은 목성이 현재보다 훨씬 더 무거웠다면 그 크기가 줄어들었을 것임을 시사한다. 질량의 작은 변화에 대해서 반지름은 눈에 띄게 변화하지 않지만, 약 500 M 이상에서는 압력의 증가에 따라 내부가 매우 크게 압축되면서 질량의 크기는 증가한데 비해 행성의 부피는 감소하게 된다.

 

결과적으로, 목성은 지난 역사와 조성을 통해 그만한 질량을 가졌기 때문에 직경이 큰 것으로 여기 진다. 만약 질량을 끌어모으면서 수축하는 과정이 계속해서 진행된다면, 핵융합이 발생하여 약 50 목성 질량에서 고질량 갈색왜성이 된다.

목성은 수소 행융합을 하여 별이 되기 위해서는 75배나 더 무거워야 하지만, 가장 작은 적색왜성은 목성의 반지름의 약 30 퍼센트 밖에 크지 않다.

 

이에 불구하고 목성은 태양으로부터 받은 열보다 더 많은 열을 복사하고 있다. 내부에 만들어진 열량은 목성이 받는 태양 복사에너지와 맞먹는다. 이런 열은 수축을 통한 켈빈-헬름홀츠 기작에 의해 발생한 것이다. 이 과정으로 목성은 연간 약 2 센티미터씩 수축한다. 처음 형성되었을 때 목성은 더 뜨거웠고 현재 지름의 두 배 정도로 컸을 것이다.

 

 

목성의 대기

 

목성은 고도가 5,000 km 이상에 이르는 태양계에서 가장 큰 행성대기를 가지고 있다. 지표면이 없기 때문에, 대기의 시작점은 주로 대기압이 1 Mpa(10 바), 또는 지구의 표면 압력의 열 배에 해당하는 지점으로 간주된다. 구름층은 목성은 암모니아 결정 및 아마 황화수소암모늄으로 구성된 구름에 영구적으로 뒤덮여 있다.

 

이 구름 들은 대류권계면 위치해 있으며 열대 지역으로 알려진 서로 다른 위도에 있는 띠들에 따라 배열된다. 이들은 밝은 색조의 대와 어두운 색조의 띠로 나뉜다. 이들의 충돌 순환 패턴의 상호작용으로 폭풍과 난류가 유발된다. 국지 제트에서는 풍속 100m/s의 바람이 흔하게 발생한다.

 

대는 폭과 색깔, 색의 강도가 해마다 변하는 것으로 관측되어 왔는데, 과학자들이 이를 확인하기에 충분할 정도의 안정적으로 남아있다. 구름층은 약 50k의 두께를 가지며, 두껍고 낮은 층과 얇고 깔끔한 영역, 최소한 두 개의 구름층으로 이루어져 있다. 또한 암모니아층 아래에는 얇은 h2o구름층이 있을 것으로 여겨지는데, 목성의 대기에서 감지된 번개의 섬광을 통해 추측된 것이다.

 

번개가 발생하기 위해서는 물의 극성으로 인해 전하분리가 일어나야 하기 때문이다. 이들의 방전은 지구에서 발생하는 번개의 수천 배에 이를 정도로 강력하다. 물구름은 내부에서 가열된 열을 통해 뇌우를 일으킬 수 있다. 목성의 구름에서 띠는 오렌지 및 갈색은 용승하는 화합물이 태양의 자외선에 노출되어 변색되면서 발생한 것이다.

 

정확한 성질에 관해서는 아직까지 불확실하지만 이들은 실체는 인, 황 또는 아마 탄화수소일 것으로 여겨진다. 발색단으로 알려져 있는 이러한 다채로운 화합물들은 따뜻한 낮은 쪽의 구름층과 섞이게 된다. 대는 상승 대류세표가 암모니아를 결정화하여 낮은 구름층을 가리게 만들 때 형성된다. 목성의 낮은 자전축 경사는 극지역이 적도지역보다 적은 태양 복사를 일관적으로 받고 있음을 의미한다. 행성 내부의 대류는 더 많은 에너지를 극 지역으로 수송하여 구름층의 온도 불균형을 해소하게 만든다. 

 

 

행성의 고리

목성은 이루어진 희미한 고기계의 가지고 있다. 목성의 고리는 크게 세 부분으로 나뉘는데, 헤일로 알려져 있는 안쪽의 입자 토러스와, 상대적으로 밝은 큰 고리, 외곽의 매우 가는 고리가 있다. 이러한 고리들은 토성의 고리에서 볼 수 있는 얼음보다는 티끌로 이루어진 것으로 보인다.

 

큰 고리는 목성의 위성인 아드라스테아와 메티스에서 방출된 물질로 이루어진 것으로 보인다. 보통 위성으로 되돌아갈 물질은 목성의 강력한 중력으로 인해 끌어당겨진다. 때문에 물질의 궤도는 목성으로 크게 틀어지게 되고 추가적인 충돌로 인해 새로운 물질이 유입된다. 비슷한 방법으로, 위성인 테베와 아말테아 역시 두 개의 희미한 티끌 고리를 형성했을 것이다. 또한 아말테아의 궤도와 일치하는 암석형 고리의 증거가 있는데, 이고리는 아말테아의 충돌 부스러기를 포함하고 있을 것이다. 

 

 

공전 및 자전

목성은 태양과의 무게중심이 태양의 체적 바깥에 위치한 유일한 행성으로, 그 무게중심은 태양표면으로부터 태양 반지름의 7% 밖에 위치한다. 목성과 태양 사이의 평균 거리는 7억 7,800만 km이며 11.86년마다 한 번씩 공전을 완주한다. 이 주기는 토성의 공전주기의 2/5배로, 즉 태양계에서 가장 큰 두 행성은 5:2 궤도공명을 이루고 있다. 목성의 타원궤도는 지구에 대해 1.31도 기울어져 있다.

 

0.0048의 궤도이심률 때문에 태양에 대한 목성의 거리는 가장 가까운 지점에서부터  가장 먼 지점까지 약 7,500만 km 차이 난다. 목성의 자전축 경사는 약 3.13도로 상대적으로 작다. 때문에 목성은 지구나 화성에 비해  큰 계절적 변화를 겪지 않는다. 

 

목성의 자전은 10시간 이내로 한 바퀴를 완주할 만큼 태양계의 모든 행성 중에서 가장 빠르다. 이러한 자전으로 인해서 목성은 지상의 아마추어 망원경을 통해서 쉽게 확인할 수 있을 정도의 적도 팽대부가 만들어진다. 행성의 모양은 극지름보다 적도지름이 더 큰 편구 모양이다.

 

목성의 적도 지름은 극지름보다 9,275 km 더 길다 목성은 고체가 아니기 때문에 생성의 상층부 대기는 차등회전을 겪는다. 목성의 극 대기의 자전은 적도 대기의 자전보다 주기가 5분 더 길다. 그래서 특히 대기 현상의 운동을 도표화하기 위해서 세 가지 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 9시간 55분 40.6초이다. 제삼회전계는 전파천문학자들이 처음으로 밝혀낸 것으로, 목성 자기권의 자전과 상관있다. 제삼회전계의 자전주기는 목성의 공식적인 자전주기로 쓰인다.

 

 

관측

목성은 통상적으로 하늘에서 태양과 달, 금성 다음으로 가장 밝은 천체이다. 그러나 화성이 목성보다 밝아 보이는 시기가 있기도 하다. 지구에 대한 목성의 위치에 따라 목성의 겉보기등급은 층일 때 -2.9등급에서 합일 때 -1.6등급으로 감소하며, 목성의 가지름 역시 50.1"에서 29.8"로 변한다.

 

가장 밝은 시기는 목성이 근일점을 지나면서 층에 위치할 때이다. 지구는 태양을 공전하면서 ㅁ고성을 398.9일마다 한 번씩 추월하는데, 이 주기를 회합주기라고 한다. 이런 과정에서 지구에서 목성은 배경별에 대해 올가미 형태의 역행 운동을 하는 것처럼 보인다.

 

목성의 궤도가 지구의 궤도의 바깥에 있기 때문에 목성의 위상각은 지구에서 봤을 때 절대 11.5도를 넘을 수 없다. 즉, 목성은 지구에서 망원경으로 관찰할 때 항상 거의 보름달처럼 보인다. 때문에 우주선 탐사를 통해서만 목성의 초승달에 가까운 위상을 불 수 있다. 보통 작은 망원경을 통해서 목성의 네 갈릴레이 위성과 목성의 대기상의 커다란 구름띠를 볼 수 있다. 좀 더  큰 망원경을 통해선는 목성의 대적점을 볼 수 있기도 하다