토성 목성 우주과학

목성

이 거대하고 밝은 행성은 태양계의 가장 큰 행성이다. 그리고 목성의 위성 중에서 4개는 행성 크기이다. 목성의 구조는 지구형 행성과 다르다.

목성은 주로 기체로 되어 있으며, 주성분은 수소와 헬륨이다. 구름층 하부는 압력이 너무 커서 수소가 압축되어 액체가 되어 있고, 핵으로 가면 금속성 수소가 있다. 목성은 태양에서 받은 열복사보다 더 많은 양의 열을 방출한다. 왜냐하면 목성은 1년에 몇 밀리미터의 비율로 계속 수축하고 있기 때문이다. 목성이 지금보다 몇 배 더 무거웠다면 중심핵에 있는 기체의 온도와 밀도가 충분히 높아서 핵융합반응이 일어나, 목성은 별이 되었으리라 짐작된다. 우주탐사선이 목성까지 도달하려면 몇 년이 걸리므로, 민감한 장비를 망가뜨릴 수 있는 목성의 강력한 복사대로부터 보호받도록 제작되어야 한다. 휘몰아치는 목성의 대기 속으로 들어간 탐사선은 결국 깡통처럼 찌그러지고 말 것이다.

대적점의 발견

1660년에 영국인 과학자 로버트 훅(1635~1703)은 목성의 떼 3개 중에서 가장 큰 띠에서 '점'을 보았다고 보고했다. 같은 시기에 조반니 도메니코 카시니가 그 점, 즉 대적점을 관측했으나, 그 뒤로 처문학자들은 대적점을 관측하지 못했다. 그러다가 1878년에 미국인 천문학자 에드워드 바너드(1857~1923)가 대적점을 다시 관측했다.

목성의 구름

목성의 구름 상층부는 다른 색깔을 띠는 일련의 띠로 나누어진다. 밝은 띠를 '지역'이라고 하고 어두운 띠는 '대'라고 한다. 목성의 북열대 지역인 가장 밝다. 흰색은 상층부의 암모니아 기체를 가리킨다. 목성의 적도를 둘러싸고 있는 적도대 지역은 항상상 세찬 바람이 불어 계속 대기가 뒤섞이고 있다고 짐작된다. 목성의 여기저기에는 희거나 붉은색 달걀 모양 무늬가 많이 있는데, 이것은 거대한 구름계이다. 갈색이나 주황색 띠는 에탄을 포함하는 유기 분자가 있다는 사실을 나타낸다.

대적점

목성에는 많은 점들이 있다. 하지만 대적점을 제외하고는 대부분 오래가지 않는다. 이 고압 폭풍계가 1878년에 재발견된 사실에 미루어 대적점이 시간에 따라 변한다고 짐작할 수 있다. 대적점은 같은 위도에 머물며, 현재 지름이 약 4만km에 이른다. 대적점이 붉은 색을 띠는 이유는 보통 목성의 핵 가까이에 있는 황과 인이 폭풍계의 난류에 의해 끊임없이 위로 운반되기 때문인 것으로 보인다.

자전하는 목성

목성은 매우 빨리 자전해서 하루가 겨우 9시간 56분이고, 적도가 바깥쪽으로 불룩하다. 또한 빠른 자전 때문에 목성의 금속성 수소 핵의 자전이 거대한 자기장을 목성 둘레에 형성한다. 이 자기권은 태양풍으로 떠밀려 그 꼬리가 태양 반대쪽으로 매우 멀리 펼쳐진다.

목성의 위성 

1610년에 갈릴레이는 목성의 가장 큰 위성 4개를 최초로 체계적으로 연구했다. 그 위성들은 매일 밤 목성에 대해서 상대적인 위치를 바꾸는 것처럼 보였으므로, 갈릴레이는 이들이 틀림없이 목성 둘레를 선회하고 있다고 보았다. 이 정확한 통찰력은 지구를 우주의 중심이라고 보는 지구중심설을 벗어나는 데 많은 기여를 했다. 1892년에 또 하나의 작은 위성이 목성의 구름 가까이에서 돌고 있는 장면이 목격되었다. 그 뒤 작은 위성들이 더 발견되었다.

칼리스토

칼리스토는 목성의 위성 중 두 번째로 크고, 크레이터가 가장 많다. 크레이터가 얼음으로 되어 있는 점을 제외하고는 달과 크게 다르지 않다.

이오의 분출

이오는 목성에 가장 가까이 있는 위성이다. 이오는 발견자인 갈릴레이의 이름을 따서 이름을 붙인 갈릴레이 위성 중의 하나이다. 나머지 갈릴레이 위성은 칼리스토, 유로파, 가니메데이다. 이 사진에서 지평선 위에 화산이 황산 화합물을 300km 높이까지 분출하는 광경이 보인다. 이 사진은 보이저탐사선이 50만km의 거리에서 찍은 후 필터를 써서 특별히 색처리를 했다.

토성

납작한 고리를 가진 거대 행성인 토성의 사진은 천문학과 관련된 사진 중에서 가장 널리 알려졌을 것이다. 고대인은 노역과 계절의 신인 사투르누스의 이름을 따서 토성(영어로 새턴)을 명명했다. 초기 천문학자들은 토성의 공전주기가 29년임을 알아냈고, 토성이 천천히 움직인다고 가정했다. 토성은 대부분 수소로 구성되어 있으며, 대기와 구조가 목성과 비슷하지만 그 밀도는 훨씬 작다. 토성은 너무 가벼워서 물 위에 뜰 수 있다. 토성은 목성처럼 빠른 속도로 회전하기 때문에 적도가 바깥으로 부풀어 있다. 또한 토성은 약한 자기장을 일으킨다. 토성의 대기 상층부에서 부는 바람은 속도가 한 시간에 1,800킬로미터까지 이르지만, 주요한 폭풍계는 지금까지 오직 하나가 발견되었다. 이 폭풍계의 보이저탐사선의 과학자 앤 벙커의 이름을 따서 '앤의 점'으로 이름이 붙었다.

17세기 당시의 토성의 모습

1675년에 파리천문대 대장인 조반니 도메니코 카시니는 토성의 고리가 하나의 고체 평판이 아니라는 사실을 발견했다. 토성의 고리는 어두운 그날(카시니간극이라고 함)에 의해서 안쪽 고리와 바깥고리로 분리되어 고리가 2개 있는 것처럼 보인다. 1676년에 카시니가 그린 그림에서 카시니간극을 볼 수 있다.

토성의 고리

토성의 고리는 지구에서는 하나의 고체 평판으로 보인다. 보이저탐사선은 고리가 서로 다른 크리의 얼음 덩어리로 이어져 있다는 사실을 입증했다. 이 얼음 입자의 반사율이 매우 높기 때문에 토성이 밤하늘에서 밝게 빛나는 것이다. 고리의 두께는 겨우 30m 정도이지만, 전체 너비는 27만 2000km이상이다.

변화하는 모습

토성의 축이 기울어져 있다. 적도 둘레에 있는 고리도 기울어져 있다. 그래서 토성은 관측 시기에 따라 고리 모양이 크게 바뀐다. 토성의 1년은 지구시간으로 약 29.5년이다. 고리의 각도는 토성과 지구가 각각의 궤도에서 어떻게 놓이느냐에 따라서 변하는 것으로 보인다. 고리를 모서리 방향에서 볼 때에는 갈릴레이가 1610년에 본 대로 3층 행성처럼 보인다.

토성의 모형

플라네타륨과 태양계의는 행성의 모양과 위성들을 보여줄 때 쓰인다. 이 플라네타륨은 19세기에 알려진 8개의 위성을 가진 토성을 보여 준다. 그러나 이 모형은 행성의 상대적 크기와 위성의 궤도를 보여 줄 수 없다는 단점이 있다.

토성의 날씨

1981년에 토성의 북반구 날씨가 보이저2호에 의해 700만km의 거리에서 촬영되었다. 폭풍 구름과 흰 점들이 토성의 날씨에서 눈에 띄는 특징이다. 

고리 발견

1610년에 갈릴레이가 최초로 토성의 고리를 발견했을 때 그는 자신이 본 것을 잘못 해석했다. 그는 토성이 3중 행성이라고 생각했다. 1655년에 이르러서 네덜란드의 과학자이자 천문학자인 크리스티안 호이겐스(1629~1695)에 의해서 토성의 고리가 확인되면서 갈릴레이가 잘못 본 것을 제대로 설명되었다.

크게 본 세부 구조

1612년에 갈릴레이가 토성을 연구했을 때, 그가 1610년에 보았다고 생각한 추가적인 행성 둘은 사라지고 없었다. 1616년에 행성들은 전부다 더 납작작해져 보였다. 즉 갈릴레이가본 것은 다른 각도에서 본 토성의 고리였다. 토성은 지구에서 볼 때 고리가 3개 보인다. A고리는 안쪽에서 도는 위성의 궤도 중 몇 개를 포함한다. 중간의 B 고리는 일련의 선들이 바퀴살처럼 띠를 가로질러 그려져 있다. 과학자들은 B고리가 토성의 자기장에 붙잡힌 먼지 입자라고 생각했다. 1979년에 파이어니어 11호는 F 고리로 알려진 바깥의 밝은 고리를 발견했다. 첫눈에 그 고리는 꼬인 것으로 보였다. 하지만 더 자세히 연구한 결과 꼬인 고리는 정상 고리가 근처 위성들의 중력에 의해 선에서 벗어나 생긴 것임이 밝혀졌다.

토성의 위성

토성의 위성들은 가장 큰 타이탄을 제외하면 모두 얼음으로 되어 있다. 엔켈라두스는 지금이 500km에 불과한 작은 위성이다. 엔켈라두스는 최근에 변화하고 있다는 증거를 보여 주며, 어떤 부분은 크레터가 매우 많지만 다른 부분은 매끄러워서 내부가 녹아 있다는 것을 암시한다. 이 사진은 11만 9000km 거리에서 찍었으며, 3km 정도의 작은 지형도 알아볼 수 있을 정도로 선명하다.