목성 - 태양계 가장 큰 행성이지만 내부는 지옥!

목성은 태양계에 있는 행성 중 하나로, 안쪽에서 다섯 번째 공전 궤도를 돌고 있는 다섯 번째 행성이고. 크기와 질량 모두 가장 큰 행성입니다.

목성 및 이와 유사한 가스를 주성분으로 하는 행성(가스 행성)인 토성을 목성형 행성(거대 가스 행성)이라고 부릅니다. 과거에는 천왕성, 해왕성도 목성형 행성에 포함되었으나, 현재는 이 두 행성은 천왕성형 행성(거대 얼음 행성)으로 분류됩니다. 

목성은 고대부터 알려지고 관측되어 왔고 많은 문명에서 신화와 신앙의 대상이 되었습니다. 영어 Jupiter(주피터)는 고대 로마 신화의 신 유피텔을 어원으로 합니다.

궤도 - 공전

태양으로부터의 평균 거리는 7.78㎞ × 108킬로미터(약 5.2au)입니다. 만약 직경 약 1.4 × 106 킬로미터의  태양을 직경 1미터의 구라고 가정하면, 목성은 약 560미터 떨어진 곳을 공전하는 직경 10센티미터의 구가 된다. 주기는 11.86년으로 토성의 5분의 2에 해당합니다. 즉 이 두 개의 거대한 목성형 행성은 공전 주기가 5:2의 궤도 공명 관계를 가지고 있습니다. 

 

궤도 - 자전

목성의 적도 경사각은 매우 작아 3.13도만 기울여져 있습니다. 그 결과 행성에는 계절적 변화가 거의 없는 것으로 추정되고 있습니다. 목성의 중력 가속도는 24.79m / s2이지만, 목성은 약 10시간에 한 번씩 맹렬한 속도로 자전하며 큰 원심력을 발생시키기 때문에 중력이 어느 정도 상쇄되어 적도에서의 중력가속도는 23.12m/s2로 감소합니다. 이 큰 원심력은 목성 자체의 모양에도 영향을 미쳐 적도 방향의 지름이 자전축 방향의 지름보다 7퍼센트 정도 더 부풀어 오른 타원구 상태입니다.

가시적인 행성 표면이 고체가 아닌 목성에서는 상층 대기의 차등 회전이 확인되고 극지방의 대기는 적도 부분의 대기보다 회전 시간이 5분 더 길어집니다. 목성의 자전은 대기의 움직임 등에 따라 3개의 계로 나누어 설명됩니다. 시스템 1은 적도를 사이에 둔 남북 10도 영역으로 가장 빠른 9시간 50분 30초 만에 한 바퀴 돕니다. 시스템 2는 시스템 1을 가로지르는 남북 부분의 중위도에 해당하는 영역으로, 공전시간은 9시간 55분 29.37초로 한 바퀴를 돌고, 고체 핵의 자전 주기와 같은 값으로 여겨져 시스템 3가 목성의 공식적인 자전으로 간주되고 있습니다.

 

물리적 특성  - 크기

지구와 목성의 크기 비교하면 대적반은 지구의 약 2~3개 정도의 크기입니다.

지름은 태양의 1/10로 지구의 10배 정도고, 대적반은 지구보다 더 크고 거대합니다.

태양계 내에서 목성은 태양 다음으로 중력 중심이지만, 반경 비율은 10%에 불과하고, 그럼에도 그 질량은 태양계 목성을 제외한 모든 행성을 합친 것의 2-2.5배 정도에 해당합니다. 따라서 태양-목성계의 중력은 태양 내부가 아닌 태양 반경의 1.068배에 해당하는 태양 표면 부근에 있습니다. 또한 태양계 전체 중력에 대한 기여도는 목성이 49%, 토성이 27%이며, 주로 이 두 행성의 위치에 따라 태양계의 중력은 태양 내부를 드나듭니다. 지구와 비교하면 질량은 318배, 지름은 11배, 부피는 1.321배 정도이고 반지름은 태양의 10분의 1, 질량은 1000분의 1입니다. 밀도는 둘 다 거의 차이가 없습니다. 목성 질량은 MJ 또는 MJup으로 표시되며, 외계행성이나 갈색왜성 등의 천체 질량을 표시한 단위로도 사용됩니다. 

이론적 모델에 따르면, 만약 목성 질량이 현재의 질량보다 어느 정도 더 컸다면, 목성은 증가된 중력에 의해 현재 크기보다 반대로 줄어들었을 것으로 생각됩니다. 약간의 차이는 반경에 영향을 미치지 않지만, 지구 질량의 500배, 목성 질량의 1.6배 정도 무거웠다고 가정하면, 중력의 증가로 인해 목성 내부의 밀도가 높아져 구성 물질의 증가에 반해 부피가 작아 졌을 것으로 생각됩니다. 질량 증가로 인해 오히려 반지름이 줄어드는 경향은 목성의 50배 정도 무거운 갈색왜성의 영역까지 이어질 것으로 생각됩니다.

목성이 항성으로 빛나기 위해서는 수소를 중심으로 현재의 75 - 80배 정도의 질량이 있어야 하는데, 반경에서 30% 정도만 더 크면 적색왜성이 될 수 있다고 합니다. 

목성은 태양 복사로 받는 열량보다 더 많은 열량을 방출하고 있습니다. 목성 표면의 온도는 125K로, 태양에너지로만 계산된 온도 102K보다 높습니다. 이 차이는 목성 내부에서 생성되는 열에 의한 것으로 태양으로부터 받는 에너지 양과 비슷합니다. 이 열의 일부는 켈빈-헬름홀츠 메커니즘이라고 불리는 단열 과정에서 발생하는데, 이 과정으로 인해 목성은 매년 2㎝씩 줄어들고 있습니다. 반대로 당시의 목성은 현재보다 2배 정도 컸을 것으로 추정됩니다.

 

물리적 특성 - 내부구조

목성의 내부 구조는 중앙에 다양한 원소가 홉합된 고밀도 중심핵이 있고, 그 주위를 액체 상태의 금속성 수소와 약간의 헬륨 혼합물이 덮고 있으며, 그 외부를 분자 상태의 수소를 중심으로 한 층이 둘러싸고 있는 것으로 생각되나 이 구조는 외형적인 상상일 뿐, 명확하게 밝혀지지 않고 있습니다.

중심핵은 실리콘 등 암석질로 추정되지만, 그 구조는 온도-압력 상태와 마찬가지로 알려지지 않았으며, 1997년 중력 측정에 근거한 중심핵의 규모에 대한 추정은 다양하지만, 질량은 지구의 11~45배, 목성 전체 질량의 3%~15% 정도를 차지할 것으로 추정됩니다. 만약 목성 성분이 태양과 동일하다면 암석질 중심핵은 지구의 5배 정도가 되지만, 밀도로 계산하면 그 크기는 15배 정도가 됩니다. 이 중심핵은 행성 형성 모델에서 예측하는 원시 태양계 성운에서 수소와 헬륨이 축적될 때, 마찬가지로 암석과 물의 얼음도 목성 초기 형성 시 모였을 것으로 추정되고, 이 핵이 예측대로 존재합니다.

중심핵 주변에는 미량의 헬률과 물의 얼음이 포함된 두꺼운 수소층이 퍼저 있는 것으로 추정되며, 이는 목성 반경의 78%에 해당합니다. 깊은 부분에는 액체 상태의 금속성 수소가 4만 킬러미터 정도의 층을 이루고, 그 위에는 역시 액체 상태의 수소 분자가 약 2만 킬로미터의 두께로 덮여 있습니다. 표면부 깊이에는 온도는 수소의 임계점인 33K를 상회하기 때문에, 수소는 액상과 기상을 구분하는 경계가 존재하지 않는 초임계 액체 상태에 있다고 볼 수 있으나 상층부에서 수소는 기체 상태이며, 1,000㎞ 정도 내려가면 구름 모양의 층이 됩니다. 그리고 층의 아래쪽은 액체 상태이고 이들 사이에 뚜렷한 경계는 존재하지 않지만, 깊어질수록 점차 열을 가지며 농도도 높아집니다.

 

물리적 특성 - 온도

목성의 적도 경사각은 3.08º - 3.12º로 수성 다음으로 작으며, 자전축이 거의 수직입니다. 이 때문에 지구 등에서 볼 수 있는 기상현상의 계절적 변화는 별로 없을 것으로 추측되나 목성 표면의 온도는 극지방과 적도지방의 온도 차이가 거의 없습니다. 또한 목성의 표면 온도는 영하 140ºC 정도인데, 이는 태양으로부터의 복사열로만 계산한 영하 186ºC보다 높습니다. 이를 통해 목성은 내부에서 열을 발산하고 있는 것으로 추정됩니다. 태양으로부터 받는 열량의 2배에 해당하는 열량의 열원은 수소보다 무거운 헬륨이 중심부로 가라앉을 때 발생하는 중력 에너지가 아닐까 생각됩니다.

목성 내부의 온도와 압력은 내부로 갈수록 모두 높아집니다. 수소가 임계점까지 가열되어 상전이 일어나는 영역에서는 금속수소가 형성 되는데, 그 영역의 온도는 10,000K, 압력은 200GPa에 이르는 것으로 추정됩니다. 금속수소층 바닥에서 온도는 20,000K, 압력은 3,600GPa, 중심핵에서 온도는 36,000GPa에 이르는 것으로 추정됩니다.

 

물리적 특성 - 대기

목성의 상층 대기는 가스 분자 구성비에서 수소가 88~92%, 헬륨 가스가 8~12%를 차지합니다. 

원소 단위로는 헬륨이 약 4배 더 무겁기 때문에 무게비로는 수소 75%, 헬륨 24%, 나머지는 1%입니다. 내부는 무거운 원소의 비율이 높아져 전체 중량비로는 수소 약 71%, 헬륨 약 24%, 기타 5%가 됩니다. 대기에는 약간의 메탄, 수증기, 암모니아, 규소 화합물도 포함되어 있습니다. 또한 관측을 통해 에탄, 황화수소, 네온, 산소, 황도 확인되고, 대기 최외층에는 얼어붙은 암모니아 결정이 떠다니고 있습니다. 또한, 적외선 및  자외선 측정에서 미량의 벤젠과 다른 탄화수소의 존재도 확인되었습니다. 

 

대적반

목성을 특정짓는 것은 적도에서 남쪽으로 22도 떨어진 표면에서 볼 수 있는 큰 붉은 반점이 있습니다. 주변 온도가 2도 정도 낮은 것으로 보아 이것은 고기압성 폭풍으로 추정됩니다. 이 대적점은 지구에서도 구경 12㎝ 이상의 망원경으로 볼 수 있으며, 적어도 1831년에 확인되었고, 더 거슬러 올라가면 1665년에도 존재했던 것으로 추정됩니다. 이렇게 오랜 기간 동안 유지되는 메커니즘은 밝혀지지 않았습니다. 과거에는 지각의 돌출부가 영향을 준다는 설과 솔리톤이 아니냐는 설도 있었지만, 현재는 거대한 태풍으로 보는 설이 지배적입니다.

계산상으로는 이 적점을 만드는 폭풍은 안정적이며, 앞으로도 행성이 존재하는 한 사라지지 않을 것이라고도 했지만, 20세기 후반부터 21세기 초의 관측을 통해 해마다 크기가 줄어들고 있음이 밝혀졌고, 2014년 5월 15일, 대적점이 1930년대 이후 관측 역사상 가장 축소되고 있다고 미국항공우주국으로부터 발표되었습니다. 이대로 축소된다면 21세기 중반에는 소멸할 것으로 예상되지만, 한편 대적도의 겉모습은 줄어들고 있지만 그 원동력이 되는 소용돌이는 계속 존재하고 있어 소멸 위기에 처한 것은 아니라는 견해도 존재합니다.

 

태양계 내 천체와의 상호작용

태양과 함께 목성의 중력은 태양계에 큰 영향을 끼쳐왔습니다. 태양에 매우 가까운 수성을 제외하고 대부분의 행성의 궤도는 태양의 적도면이 아닌 목성의 궤도면과 거의 일치합니다. 소행성 분포에 있어서도 커크우드의 공극은 목성이 가졌왔고 후기 중폭격기가 발생한 원인도 목성의 존재로 추정됩니다.

위성 군과 함께 목성의 중력장은 많은 소행성에 영향을 미쳐 공전궤도사의 라그랑주 지점에 모이게 했습니다. 이 소행성 집단을 트로이 군이라 부르며, '일리아스'에 등장하는 트로이 전쟁의 인물 이름에서 많은 소행성의 이름을 따왔습니다. 발견은 1906년 막스 볼프가 발견한 소행성 아킬레스를 시작으로 현재 2,000개 이상이 발견되었습니다. 

대부분의 단주기 혜성은 목성족 혜성에 속합니다. 목성족 혜성은 목성보다 궤도의 길이 반경이 작은 혜성이며, 그 기원은 에지워스-카이퍼 벨트로 추정됩니다. 이들은 목성으로부터 섭동에 의해 단주기화와 진원화를 일으킨 결과로 생긴 것으로 여겨집니다.