목성에 대해서 알아봅시다!

목성이란

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목성(Jupiter)은 태양계의 다섯번째 행성이자 가장 큰 행성이다. 태양의 질량의 1,000분의 1배에 달하는 거대행성으로, 태양계에 있는 다른 모든 행성들을 합한 질량의 약 2.5배에 이른다. 목성은 토성과 마찬가지로 거대 기체 행성이다(천왕성과 해왕성은 거대얼음 행성). 목성은 고대 천문학자들에게도 잘 알려져 있었는데, 로마인들은 목성에 로마 신화의 신인 유피테르의 이름을 붙였다. 동양에서 목성의 명칭은 오행 중 하나인 나무(木)에서 유래되었다. 신화에서는 세성(歲星)이라고도 불렀다. 목성은 지구에서 봤을 때 겉보기등급이 -2.94에 이르기 때문에, 반사광이 그림자를 형성하기에 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 십분의 일 정도만을 차지하지만 목성의 질량의 사분의 일을 차지한다. 그리고 목성은 중원소로 이루어진 암석형 핵을 가지고 있으며, 다른 거대행성들과 같이 뚜렷한 고체 표면이 없다. 빠른 자전으로 인해서 행성의 모양은 편구(적도의 팽대부가 약간 눈에 띄는) 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 개의 갈릴레이 위성을 포함하여 적어도 79개의 위성을 가지고 있다. 이들 중 가장 큰 가니메데의 직경은 행성인 수성의 직경보다도 크다.

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목성의 구조

목성은 주로 기체 및 액체 물질로 이루어져 있다. 목성의 직경은 적도에서 142,984 km (88,846 mi)이다. 밀도는 1.326 g/cm3으로, 태양계의 거대행성 중에서 두 번째로 크지만 지구형 행성의 밀도보다는 낮다.

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목성의 공전 및 자전

목성은 태양과의 무게중심이 태양의 체적 바깥에 위치한 유일한 행성으로, 그 무게중심은 태양 표면으로부터 태양 반지름의 7% 밖에 위치한다. 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 완주한다. 이 주기는 토성의 공전주기의 2/5배로, 즉 태양계에서 가장 큰 두 행성은 5:2 궤도공명을 이루고 있다. 목성의 타원궤도는 지구에 대해 1.31˚ 기울어져 있다. 0.048의 궤도이심률 때문에 태양에 대한 목성의 거리는 가장 가까운 지점(근일점)에서부터 가장 먼 지점(원일점)까지 약 7,500만 킬로미터 차이가 난다.

목성의 자전축 경사는 약 3.13˚로 상대적으로 작다. 이 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 극 지름보다 적도 지름이 더 큰 편구 모양이다. 목성의 적도 지름은 극 지름보다 9,275 km(5,763 mi) 더 길다.

목성은 고체가 아니기 때문에 행성의 상층부 대기는 차등 회전을 겪는다. 목성의 극 대기의 자전은 적도대기의 자전보다 주기가 5분 더 길다. 그래서 특히 대기 현상의 운동을 도표화하기 위해서 세 가지 계가 기준 좌표계로 사용된다. 제일 회전계(System I)는 북위 10˚에서 남위 10˚까지 적용된다. 제일 회전계의 자전주기는 9시간 50분 30초로 목성에서 가장 짧다. 제이회전계(System II)는 그 외의 모든 위도에서 적용되는데, 자전주기는 9시 55분 40.6초이다. 제삼 회전계(System III)는 전파천문학자들이 처음으로 밝혀낸 것으로, 목성 자기권의 자전과 상관있다. 제삼 회전계의 자전주기는 목성의 공식적인 자전주기로 쓰인다

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목성의 조성

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 밀한 물질들로 이루어져 있는데, 그 질량의 대략 71%가 수소, 24%가 헬륨, 5%가 다른 원소들로 이루어져 있다. 목성의 대기는 미량의 메테인, 수증기, 암모니아, 규소 화합물을 포함하며, 또한 미량의 탄소, 에테인, 황화수소, 네온, 산소, 포스핀, 황 등으로 이루어져 있기도 하다. 대기의 최외곽 층은 얼음 암모니아 결정을 포함한다. 적외선 및 자외선 분석을 통해서는 미량의 벤젠과 탄화수소들이 발견되기도 한다.

대기의 수소 및 헬륨의 비율은 원시 태양 성운의 이론적인 조성과 가깝다. 상층부 대기의 네온은 질량비로 단 20ppm을 차지하는데, 이는 태양의 십분의 일 정도다. 헬륨 또한 태양의 헬륨 조성의 약 80% 정도로 감소하였는데, 이러한 감소는 행성 내부로 원소들이 침전된 결과이다.

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목성의 고리

목성은 이루어진 희미한 고리계를 가지고 있다. 목성의 고리는 크게 세 부분으로 나뉘는데, 헤일로(halo)로 알려진 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. 이 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, 이 고리는 아말테아의 충돌 부스러기를 포함하고 있을 것이다.

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목성의 내부 구조

목성은 여러 원소가 혼합된 고밀도의 핵과 그 주변의 액상 금속성 수소층, 대부분 수소 분자로 구성된 외곽 층으로 이루어진 것으로 여겨진다. 이런 구조에 관해 더 상세한 내용은 지금까지도 상당한 불확실성이 존재한다. 핵은 보통 암석형으로 기술되지만, 상세한 조성은 그 깊이의 온도 및 압력에서 물질의 특성을 알 수 없기 때문에 불명이다. 1997년, 핵의 존재가 여러 중력측량을 통해 주장되었는데, 그 질량은 지구의 질량의 12~45배 또는 목성 총질량의 대략 4~14%이다. 핵의 존재는 최소한 목성의 역사 부문에서 행성의 형성 모형을 통해 제기되는데, 모형에서 원시 태양 성운으로부터 대량의 수소와 헬륨을 끌어모을 정도로 무거운 암석형 또는 얼음 형 핵의 형성이 요구되기 때문이다. 핵이 존재한다고 가정하면, 용융 상태의 핵은 그와 혼합된 뜨거운 액상 금속성 수소의 대류로 인해 수축하며 행성 내부에서 높은 수준의 구조를 지니게 된다. 여러 중력측량이 전반적으로 그 가능성을 배제할 만큼 정밀하지 않기 때문에 핵에 관해서는 지금도 전적으로 불명이다.

 

목성 내부의 온도와 압력은 켈빈-헬름홀츠 기작으로 인해 핵 쪽으로 급격하게 증가한다. 10 바 수준의 "표면" 압력에서, 온도는 약 340K이다. 수소가 임계점 이상으로 가열되어 금속성을 띠게 되는 상전이 영역의 온도는 10,000K이며 압력은 200GPa로 추정된다. 핵의 경계에서의 온도는 36,000K, 압력은 대략 3,000~4,500 GPa로 추정된다.

핵 영역은 밀한 금속성 수소로 둘러싸여 있는데, 이 층은 목성의 반지름의 약 78%까지 뻗어 있다. 비와 유사한 헬륨 및 네온 액적이 이 층을 통해 쏟아지면서 상층부 대기에서 이러한 원소의 양이 감소하였을 것이다.

금속성 수소층 위에는 수소로 이루어진 투명한 안쪽 대기가 자리를 잡고 있다. 이 깊이에서의 온도는 수소에 대해 단 33K인 임계온도 이상이다. 이 상태에서 액체 및 기체의 상은 구별할 수 없다. 이 때문에 여기서 수소는 초임계 유체 상태에 있다고 일컫는다. 수소는 구름층에서 약 1,000 km 아래까지 뻗어 있는 상층부에서는 기체로 취급되고, 그보다 아래에 있는 층에서는 액체로 취급된다. 물리학적으로 그 경계는 명확하지 않다. 기체는 하강하면서 매끄럽게 뜨거워지고 밀해지기 때문이다.

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목성의 질량과 크기

 

목성의 질량은 태양계의 다른 모든 행성을 합한 질량의 2.5 배로, 태양과 목성의 무게중심이 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 318배 밖에 크지 않기 때문이다. 목성의 반지름은 태양의 반지름의 약 1/10 배이며, 그 질량은 태양의 질량의 0.001 배이다. 따라서 두 천체의 밀도는 비슷하다. 목성의 질량(MJ 또는 Mjup)은 다른 천체, 특히 외계행성과 갈색왜성의 질량을 기술할 때 종종 사용된다. 예를 들면 외계행성 HD 209458 b의 질량은 0.69 MJ이며, 안드로메다자리 카파 b의 질량은 12.8MJ이다.
여러 이론 모형들은 목성이 현재보다 훨씬 더 무거웠다면 그 크기가 줄어들었을 것임을 시사한다. 질량의 작은 변화에 대해서 반지름은 눈에 띄게 변화하지 않지만 약 500M🜨 (1.6 목성 질량) 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 여겨진다. 만약 질량을 끌어모으면서 수축하는 과정이 계속해서 진행된다면, 핵융합이 발생하여 약 50 목성 질량에서 고질량 갈색왜성이 된다.

목성이 수소 핵융합을 하여 별이 되기 위해서는 75배나 더 무거워야 하지만, 가장 작은 적색왜성은 목성의 반지름의 약 30퍼센트 밖에 크지 않다. 이에도 불구하고 목성은 태양으로부터 받는 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 2센티미터씩 수축한다. 처음 형성되었을 때 목성은 더 뜨거웠고 현재 지름의 두 배 정도로 컸을 것이다.

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목성의 대기

목성의 대기는 태양계에서 가장 큰 행성 대기이다. 짙은 빛깔을 띠고 있으며, 대부분이 수소 분자와 헬륨으로 이루어졌다. 메탄, 암모니아, 황화수소, 물과 같은 다른 화합물도 적은 양으로 존재한다. 물이 대기에 깊숙이 상주해 있을 것으로 여겨지지만 직접적으로 측정된 농도는 매우 적은 수준이다. 목성 대기의 산소, 질소, 황, 비활성 기체 성분비는 태양의 세 배를 넘는다. 대기층의 두께는 약 3,000km 정도이며 내부에서 방출되는 열과 빠른 자전 운동으로 인해 아주 복잡한 운동을 한다. 구름층의 두께는 약 150 km 정도로 추정되며 풍속이 초당 180m 이상인 제트기류가 형성된다. 또 '대적점' 이라는 게 있는데 대적점은 지구의 몇 배에 달하는 크기이며 거대한 태풍이다.

목성의 대기에는 두 개의 짙은 띠가 있었으나 2010년 5월 관측 결과 남쪽의 띠 하나가 사라진 상태로 확인되었다. 정확한 원인은 아직 밝혀지지 않았다