가니메데 - 태양계에서 가장 큰 위성

가니메데(Jupiter 3 Ganymede)는 목성의 세 번째 위성입니다. 태양계에 존재하는 위성 중 반지름과 질량 모두 가장 크며, 반지름은 태양계 내 모든 천체 중 9번째로 큽니다. 지름은 5,268㎞로 행성인 수성보다 8% 더 크지만, 질량은 수성의 45%에 불과합니다. 금속핵을 가지고 있으며, 태양계 내 고체 천체 중 가장 낮은 표준화 관성모멘트를 가지고 있으며, 자기장을 가지고 있는 것으로 알려진 유일한 위성입니다. 목성의 전체 위성 중 목성에서 7번째로 가까운 위성이며, 갈릴레이 위성 중세서는 3번째로 가까운 위성입니다. 다른 갈릴레오 위성들과 함께 지구 이외의 천체를 공전하는 것으로 발견된 최초의 천체입니다. 가니메데는 약 7일에 걸쳐 목성을 공전하며 유로파, 이오와 1:2:4의 궤도 공명을 이루고 있으며 비교적 밝은 위성으로 쌍안경으로도 관측이 가능합니다.

가니메데는 규산염 암석과 물의 얼음이 거의 반반씩 구성되어 있습니다. 철이 풍부한 액체 핵을 가진 완전히 분화된 천체이며, 지구의 바다보다 더 많은 물을 보유할 수 있는 내해를 가지고 있습니다. 표면은 크게 두 가지 지형을 볼 수 있습니다. 어두운 영역은 충돌 분화구로 포화되어 40억 년 전에 형성된 것으로 추정되는 지형으로 가니메데 표면의 3분의 1을 덮고 있습니다. 박은 지형은 분화구가 거의 없고, 광범위하게 펼쳐진 도랑과 능선을 많이 가로지르며, 나이가 조금 더 젊고, 나머지 3분의 2의 영역을 덮고 있습니다. 이 두 종류의 영역은 각각 한 덩어리가 아니라 서로 분산되어 있습니다. 가니메데 표면의 홈 모양의 지형은 퍼로우(Furrow)라고 불리며, 이미지 분석을 통해 동심 원형으로 밝혀졌고, 반경 약 150㎞의 소행성이 충돌하여 형성된 최대 반경 7800㎞의 분화구(다중 분화구)로 태양계에서 가장 큰 규모인 것으로 추정됩니다.

밝은 영역에서 파괴된 듯한 지질의 원인은 밝혀지지 않았지만, 조석 가열에 의한 지각 활동의 결과일 가능성이 있습니다.

가니메데의 자기장은 아마도 액체 상태인 철의 핵에서 대류에 의해 생성된 것으로 보입니다. 이 약한 자기장은 훨씬 더 큰 목성의 자기장 속에 묻혀서 자력선의 국부적인 섭동으로만 나타납니다. 가니메데는 산소 원자(O), 산소 분자(O2), 그리고 아마도 오존(O3)을 포함하는 얇은 산소 대기를 가지고 있습니다. 가니메데가 대기와 함께 전리층을 가지고 있는지는 알려지지 않았습니다.

가니메데의 발견은 갈릴레오 갈릴레이의 공로로 알려져 있으며, 갈릴레오는 1640년 1월 7일 처음으로 가니메데를 관측했습니다. 가니메데의 이름은 그리스 신화에서 올림푸스 12신의 시종으로 제우스를 모시는 미소년 가니메데스의 라틴어 가니메데에서 따 온 것입니다. 이 명칭은 갈릴레오와 거의 비슷한 시기에 독립적으로 가니메데를 발견한 천문학자 시몬 마리우스가 제안한 것입니다. 파이오니어 10호를 시작으로 지금까지 여러 우주 탐사선이 가니메데를 탐사했고, 보이저 계획의 보이저 1호와 보이저 2호의 관측으로 가니메데의 크기가 정확하게 측정되었으며, 갈릴레오 탐사선에서는 지하 바다와 자기장의 존재를 발견했습니다. 다음 목성계 탐사는 2023년 4월 14일 발사된 유럽우주기구의 JUICE가 있는데, JUICE는 갈릴레오 위성 중 이오를 제외한 3개의 얼음 위성을 모두 비행한 후 가니메데의 궤도에 투입될 계획이며, 2035년 충돌해 운영을 종료할 예정입니다.

 

발견

중국 천문학 기록에 따르면 기원전 365년 중국의 감덕이 목성의 위성으로 추정되는 가니메데를 육안으로 발견했다는 보고가 있습니다. 감덕은 이 천체를 붉은 색으로 보고했지만, 붉은빛의 파장에서는 가니메데가 육안으로 관측하기에는 너무 어둡기 때문에 이 발견 보고에는 수수께끼가 남아있습니다. 감덕은 석신과 함께 주요 5개 행성을 매우 정확하게 관측했습니다. 현존하는 기록으로는 당나라 때 작성된 [개원점경]에 이를 인용한 기록이 있는데. '목성 바로 옆에 작은 붉은색 별이 있는데, 동맹이다'라는 기록이 있으며, '동맹'이라는 것이 목성과 같은 계통에 속한다는 뜻이 아니었을까 합니다.

1610년 1월 7일, 갈릴레오 갈릴레이는 망원경을 이용한 관측으로 목성 근처에 있는 여러 천체를 관측했습니다. 갈릴레오는 처음에 세 개의 천체라고 생각했는데, 가니메데와 칼리스토, 그리고 이오와 유로파의 빛이 합쳐진 것이라고 생각했습니다. 다음 날 밤의 관측에서 갈릴레오는 이 광점들이 움직이는 것을 발견했고, 1월 13일 관측에서 처음으로 4개를 동시에 관측하는 데 성공했지만, 이 날 이전에 각 위성을 적어도 한 번은 관측한 적이 있습니다. 1월 15일까지 갈릴레오는 이 천체들이 실제로 목성을 공전하는 천체라는 결론을 내렸습니다. 

1614년 시몬 마리우스가 출판한 'Mundus Jovialis'에서 마리우스는 갈릴레오가 발견하기 1주일 전인 1609년에 이오와 다른 갈릴레오 위성을 발견했다고 주장했습니다. 갈릴레오는 이 주장을 의심했고, 마리우스의 이 저작은 표절이라고 일출했습니다. 마리우스의 관측 기록은 율리우스 력의 1609년 12월 29일부터 시작되는데, 이는 갈릴레오가 사용했던 그리고리오력으로는 1610년 1월 8일에 해당합니다. 갈릴레오가 마리우스보다 먼저 발견을 발표했기 때문에 갈릴레오가 발견자로 기록되어 있습니다.

 

작명

갈릴레오는 이 위성들의 명명권을 주장하여 다른 갈리레오 위성들과 함께 메디치 가문의 코지모 2세를 기리기 위해 "Cosmica Sidera" 코지모의 별들로 명명했고 이후 "Medicea Sidera" 메디치 가문의 별들로 이름을 붙였습니다. 프랑스의 천문학자 니콜라-클로드 파브리 드 페레스크는 이 위성들에 메디치 가문의 이름을 붙일 것을 제안했지만, 그의 제안은 채택되지 않았습니다. 갈릴레오와 발견을 다투었던 마리우스는 이 4개의 위성에 '목성의 토성'(칼리스토), '목성의 금성'(유로파), '목성의 수성"(이오)이라는 이름을 붙이려 했으나 정착되지 않았습니다. 요하네스 케플러의 조언을 받아 마리우스는 가니메데 등 현재 정착된 명칭을 다시 제안했고 가니메데라는 이름은 그리스 신화에서 올림포스 12신의 시종으로 제우스를 모시는 미소년 가니메데스의 라틴어 가니메데에서 따온 것입니다.

마리우스가 제안한 이 명칭은 오랫동안 주목받지 못했고, 20세기 중반까지 일반화되지 않았습니다. 초기 천문학 문헌에서는 오로지 갈리레오가 도입한 표기법인 로마 숫자를 사용한 이름인 Jupiter 3 또는 '목성의 세 번째 위성'이라는 이름으로만 언급되었습니다. 토성의 위성이 발견되고 나서야 케플러와 마리우스에 의한 명칭이 목성의 위성에 대해 사용되기 시작했고, 가니메데는 갈릴레오 위성 중 유일하게 남성 인물의 이름이 붙여진 천체이며, 이오, 유로파, 칼리스토는 모두 제우스의 여인의 이름을 붙였습니다.

 

궤도와 자전

가니메데는 목성에서 1,070,400㎞의 거리를 공전하고 있으며, 갈릴레오 위성 중 안쪽에서 세 번째로 큰 위성입니다. 공전주기는 약 7일 3시간입니다. 가니메데는 조석 고정되어 있어 자전 주기와 공전 주기가 같고, 항상 같은 면을 목성을 향하고 있습니다. 따라서 가니메데의 하루는 7일과 3시간에 해당합니다. 궤도는 아주 작은 궤도 이심률과 궤도 경사각을 가지고 있으며, 태양과 다른 행성의 중력 섭동으로 인해 궤도 이심률과 궤도 경사각은 수백 년의 시간 척도로 준주기적인 변동을 일으킵니다. 궤도 이심률과 궤도 경사각의 변동 범위는 각각 0.0009~0.0022, 0.05~0.32º 입니다. 이러한 궤도 요소의 변동으로 인해 가니메데의 적도 경사각은 0~0.33º 사이로 변화합니다.

가니메데는 유로파, 이오와 궤도 공명을 이루고 있습니다. 가니메데가 자신의 궤도를 한 바퀴 도는 동안 유로파는 두 바퀴, 이오는 네 바퀴를 돕니다. 이오와 유로파의 합은 항상 이오가 근일점, 유로파가 원일점에 있을 때 발생합니다. 유로파와 가니메데의 합도 유로파가 근점에 있을 때 발생합니다. 이오와 유로파의 합의 경도와 유로파와 가니메데의 합의 경도는 같은 비율로 변하기 때문에 삼중 합은 발생하지 않습니다. 즉, 이오와 유로파, 가니메데 세 개가 목성에서 봤을 때 같은 방향으로 정렬하는 일은 결코 없습니다. 이러한 복잡한 궤도 공명을 라플라스 공명이라고 합니다.

 

물리적 특성 - 크기

가니메데는 태양계 위성 중 가장 크고 무거운 위성입니다. 지름은 5,268㎞로 지구의 0.41배, 화성의 0.77배, 두 번째로 큰 토성의 위성 타이탄의 1.02배, 수성의 1.08배입니다. 또한 칼리스토의 1.09배, 이오의 1.51배, 지구의 위성인 달의 1.51배입니다. 질량은 타이탄보다 10%, 칼리스토보다 38%, 이오보다 66%, 더 무겁고, 달의 2.02배입니다.

 

물리적 특성 - 조성

가니메데의 평균 밀도는 1.936 g/cm3로, 암석 성분과 물의 얼음이 대략 반반씩 섞여 있음을 알 수 있습니다. 전체 질량 대비 얼음의 비율은 46~50%로 칼리스토보다 약간 낮습니다. 또한 암모니아 등 다른 휘발성 물질의 얼음도 존재하는 것으로 추정됩니다. 가니메데 암석의 실제 조성은 밝혀지지 않았지만, L형과 LL형 보통 콘드라이트의 조성에 가까울 것으로 예상 되고 있습니다. 이들 콘드라이트는 H형 보통 콘드라이트에 비해 전체 철의 함량이 적고, 산화철이 많다는 특징이 있습니다. 철과 규소의 질량비는 가니메데에서는 1.05~1.27이지만, 태양의 값은 대략 1.8입니다.

 

표면 특성

가니메데 표면의 알베도는 약 43%입니다. 수빙은 표면에 보편적으로 존재하며, 표면에서 수빙의 질량 비율은 50~90%를 차지하는 것으로 추정되며, 이는 가니메데 전체에서 차지하는 얼음의 비율보다 훨씬 더 많습니다. 근적외선 분광 관측에서 1.04, 1.25, 1.5, 2.0, 3.0 um 파장에서 강한 수빙의 흡수를 확인할 수 있습니다. 흠이 많은 영역은 상대적으로 밝고 어두운 영역보다 얼음의 함량이 높습니다. 탐사선 갈릴레오와 지상 관측을 통해 얻은 고분산 근적외선과 자외선의 스펙트럼에서 물 이외의 다양한 물질이 검출되고 있습니다. 검출이 보고된 것은 이산화탄소, 이산화황이며, 또한 디시안, 황산수소염 및 다양한 유기화합물로 추정되는 특징도 보고되고 있습니다. 갈릴레오의 관측 결과에서 황산마그네슘(MgSO3)와 황산나트륨(Na2SO4)도 가니메데 표면에서 검출되었습니다. 이들 염화물은 내해에 기원을 두고 있을 가능성이 있습니다.

가니메데의 표면 알베도는 매우 비대칭적입니다. 선행 반구가 후행 반구보다 밝다는 특징이 있습니다. 이는 유로파와 비슷한 특징이지만, 칼리스토와는 정반대의 특징입니다. 가니메데의 후행 반구는 이산화황이 풍부하게 존재하는 것으로 보입니다. 이산화탄소의 분포는 각 반구에서 비대칭성은 보이지 않지만, 양극 부근에서는 관찰되지 않았습니다. 가니메데 표면의 충돌 크레이터는 1개를 제외하고는 이산화탄소가 많은 특징을 보이지 않으며, 이 또한 칼리스토에서 볼 수 있는 크레이더와는 다른 특징입니다. 가니메데의 이산화탄소 가스는 아마도 과거에 고갈된 것으로 추정되고 있습니다.