오늘은 목성의 갈릴레이 위성에 대해 알아보겠습니다. 목성에는 최소 95개의 위성이 있지만, 갈릴레이 위성으로 알려진 가장 큰 4개의 위성이 가장 잘 알려져 있고 가장 흥미로운 위성입니다.
이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토는 총칭하여 갈릴레이 위성이라고 합니다. 1610년 이탈리아 천문학자 갈릴레오 갈릴레이가 망원경으로 이 네 위성을 처음 관측한 데서 유래한 이름입니다. 이 위성들은 목성을 둘러싼 점처럼 보였고, 갈릴레오는 밤마다 위치가 바뀌는 것을 보고 이 위성들이 거대한 행성 주위를 도는 천체라고 추론했습니다.
갈릴레이 위성이 과학사에서 중요한 이유
갈릴레이의 위성이 과학사에서 중요한 이유는 이 발견으로 우주의 모든 천체가 지구 주위를 돌고 있다는 이론, 즉 당시 널리 통용되던 지동설을 반증했기 때문입니다. 특히 이 네 위성이 다른 행성 주위를 도는 궤도에서 최초로 발견된 것은 우연이 아니었습니다. 목성의 갈릴레이 위성은 지구에서 가장 가까운 위성이기 때문에 소형 망원경으로 가장 쉽게 볼 수 있습니다.
현재 NASA의 주노 탐사선은 목성 주변 궤도를 돌며 목성의 위성을 관측할 기회를 얻고 있습니다. 주노의 전신인 NASA의 갈릴레오 우주선은 1995년부터 2003년까지 목성과 그 위성을 연구했습니다. 그리고 곧 발사될 두 개의 미션, NASA의 유로파 클리퍼와 ESA의 주스는 2030년대에 갈릴레오 위성을 더 자세히 연구하기 시작할 것입니다. 각각의 위성은 우주의 본질과 지구 밖 생명체의 가능성에 대해 우리에게 많은 것을 가르쳐 주는 매혹적인 세계입니다.
갈릴레이 위성 중 세번째로 큰 위성, 이오
목성의 갈릴레이 위성 중 가장 안쪽이자 세 번째로 큰 위성은 이오입니다. 이오는 암석 위성으로, 지구의 달을 제외하고는 둥근 모양을 가질 만큼 충분히 큰 유일한 암석 위성입니다. 또한 태양계에서 가장 화산 활동이 활발한 천체이며, 표면 전체에서 거의 끊임없이 분화가 일어나고 있습니다.
이오가 화산 활동이 활발한 이유는 그 위치 때문입니다. 이오는 목성에 가장 가까운 궤도를 돌고 있는 갈릴리 4위성 중 가장 안쪽에 있는 위성입니다. 그 다음으로는 유로파, 가니메데, 칼리스토가 있습니다. 목성은 태양을 제외한 태양계에서 가장 거대한 천체이며, 중력이 매우 강합니다. 이오가 목성을 공전할 때, 때로는 이웃하는 큰 위성들이 각자의 궤도를 따라 이동하면서 가까이 지나가기도 합니다. 이 거대한 위성들이 서로를 지나갈 때 서로를 약간씩 잡아당깁니다. 이로 인해 목성 주변의 모든 위성의 궤도가 약간 고르지 않거나 편심됩니다.
목성 주위를 도는 이오의 궤도가 편심이라는 것은 궤도의 어떤 지점에서는 이오가 거대한 행성에 더 가까이 다가오고 어떤 지점에서는 더 멀리 떨어져 목성의 중력이 이오에 미치는 영향이 더 강해지고 약해진다는 것을 의미합니다. 이 중력의 밀물과 썰물은 달의 모양을 왜곡합니다. 목성과 마주보는 부분은 목성이 가까워지면 부풀어 오르고 멀어지면 아래로 내려가는데, 이는 지구의 바다가 달에 의해 당겨져 조수를 일으키는 것과 비슷합니다. 바다의 조수는 가장 극심할 때 약 16미터(52피트) 정도 변동하는 반면, 이오의 암석 표면은 “조석”이 일어날 때마다 약 100미터(328피트) 정도 상승 및 하강합니다.
이 모든 움직임은 달 표면 아래의 암석 층 사이에 마찰을 일으켜 열을 발생시킵니다. 우주의 극한의 추위에 노출된 이오의 표면은 단단한 암석으로 이루어져 있습니다. 하지만 표면 아래 약 50킬로미터(30마일) 아래에는 위의 암석층만큼이나 깊은 마그마 층이 있습니다. 이 마그마 층을 생성하는 것 외에도 목성 주위를 도는 이오의 편심 궤도로 인한 압박으로 인해 마그마가 화산 폭발로 달 표면을 통해 가끔씩 터져 나오기도 합니다.
이오의 표면은 400개 이상의 활화산으로 덮여 있으며, 지구의 모든 화산을 합친 것보다 약 100배 많은 용암(지표에 도달한 마그마의 총칭)을 생성합니다. 또한 이오의 용암은 섭씨 1,000도(화씨 1,832도) 이상의 온도에 도달하여 지구에서 볼 수 있는 어떤 용암보다 더 뜨겁습니다.
다른 많은 행성과 일부 위성이 과거에 화산 활동이 있었다는 흔적을 보이지만, 오늘날 활화산은 매우 드뭅니다. 이오는 태양계에서 지구에서 볼 수 있는 대규모 화산 활동을 하는 유일한 암석 천체입니다.
태양계에서 가장 매끄로운 표면을 가진 위성, 유로파
목성에서 이오 다음으로 보이는 위성은 유로파입니다. 유로파는 태양계에서 가장 매끄러운 표면을 가지고 있으며, 큰 산이나 깊은 분화구, 협곡이 없고 얼음 껍질에 줄무늬처럼 갈라진 틈이 있을 뿐입니다. 이러한 매끄러움은 유로파의 표면이 어떤 식으로든 재생되고 있으며, 아마도 지하 액체층이 존재하고 있음을 시사합니다.
이오와 마찬가지로 유로파는 목성에 가까운 궤도를 돌며 그 너머에 상당한 크기의 위성이 공전하고 있습니다. 중력 효과로 인해 유로파의 지하층도 녹지만, 이 달은 대부분 물 얼음으로 구성되어 있기 때문에 녹은 층은 거대한 액체 물의 바다입니다.
NASA의 보이저와 갈릴레오 탐사선이 수집한 데이터에 따르면 약 30킬로미터(19마일)의 얼음 아래에 유로파는 수심 70~100킬로미터(43~62마일)의 바다를 품고 있을 수 있다고 합니다. 유로파는 지구의 달보다 작지만, 유로파의 바다에는 지구의 모든 바다와 호수를 합친 것보다 두 배나 많은 양의 액체 물이 포함되어 있는 것으로 추정됩니다.
액체 상태의 물은 우리가 알고 있는 생명체에 필수적인 요소이기 때문에 유로파는 생명체를 발견할 가능성이 특히 높은 곳입니다. 유로파의 지하 바다는 방사능으로부터의 보호 등 다른 생명 친화적인 특성도 가지고 있을 수 있습니다. 유로파의 바다는 또한 염분이 많은 것으로 보이는데, 이는 아래의 암석 해저와 직접 접촉할 수 있다는 것을 의미할 수 있습니다. 지구의 바다는 해저의 열수 분출구에서 대부분의 소금을 얻으며, 이 분출구는 지구에서 생명체가 처음 출현했을 가능성이 가장 높은 곳 중 하나입니다. 생명체를 만들기 위한 기본 재료는 물, 유기 화합물, 에너지원으로 보이며, 열수구에서 나오는 열은 무생물을 생명체로 만드는 데 필요한 에너지를 제공했을 수 있습니다.
이러한 모든 이유로 유로파는 지구 밖 생명체를 찾는 데 있어 중요한 목표가 되고 있습니다. 이 세계와 그 거주 가능성을 더 잘 이해하기 위해 2023년 4월에 발사된 유럽우주국의 목성 얼음 달 탐사선 (Juice)과 2024년에 발사될 예정인 NASA의 유로파 클리퍼 탐사선이 앞으로 몇 년 동안 유로파를 연구할 예정입니다.
태양계에서 가장 큰 위성, 가니메데
목성에서 계속 궤도를 벗어나면 다음 갈릴리 위성인 가니메데에 도착합니다. 가니메데는 태양계에서 가장 큰 위성으로 수성보다 더 큰 위성입니다. 또한 태양계에서 유일하게 자체 자기장을 가진 달이기도 합니다.
유로파처럼 가니메데도 두꺼운 얼음으로 이루어진 외층을 가지고 있습니다. 하지만 가니메데는 얼음으로 뒤덮인 자매 위성과는 달리 외관이 새로 드러난 흔적이 전혀 보이지 않습니다. 이 달의 풍부한 크레이터는 수십억 년 동안 지각변동 없이 수십억 년의 충돌을 경험했음을 시사합니다. 가장 안쪽에 있는 갈릴리 위성에서 일어나는 것과 같은 이유로 가니메데에서도 내부를 따뜻하게 하는 중력 압박이 어느 정도 일어나야 하지만, 유로파나 이오에서처럼 두꺼운 지하 액체층을 만들지는 않았을 것으로 보입니다.
대신 가니메데에는 여러 개의 바다 층이 있고, 그 사이에 얼음 층이 쌓여 있을 수 있습니다. 이 바다 층을 통틀어 이 달은 태양계에서 가장 많은 액체의 물을 가지고 있을 가능성이 높습니다. 가장 낮은 해수면은 달의 암석 내부와 맞닿아 있는 것으로 추정되며, 이는 달의 물이 수열 분출구로부터 에너지를 받을 수 있다는 것을 의미합니다. 그러나 가장 바깥쪽 얼음 지각의 두께가 약 150km(93마일)에 달하기 때문에 가니메데 내부 바다에 생명체가 존재한다면 우리는 결코 알 수 없을지도 모릅니다. 그럼에도 불구하고 2030년대 초에 목성계에 도달하면 ESA의 주스 미션은 이 거대한 달에 대해 많은 것을 알게 될 것입니다.
태양계에서 세 번째로 큰 위성, 칼리스토
목성의 주요 위성 중 가장 바깥쪽에 있는 위성은 칼리스토입니다. 태양계에서 세 번째로 큰 위성으로, 수성보다 직경이 약 60킬로미터(37마일) 작습니다.
칼리스토의 밀도를 측정한 결과 약 절반은 암석, 절반은 얼음으로 이루어져 있는 것으로 나타났습니다. 하지만 유로파나 가니메데와 같은 위성과 달리 칼리스토의 암석과 얼음은 완전히 분리된 층으로 이루어져 있지 않습니다. 대신 전체적으로 암석과 얼음이 섞여 있으며, 깊어질수록 암석의 양이 증가하는 것처럼 보입니다.
칼리스토는 목성에서 조금 더 멀리 떨어져 있고 그 너머에 큰 위성이 없기 때문에 다른 갈릴리 위성들의 내부를 따뜻하게 하는 중력 변동을 경험하지 않습니다. 그 결과 칼리스토에는 지각 활동이나 화산 활동이 없으며, 어떤 식으로든 표면을 변화시키는 내부 과정도 없습니다. 실제로 칼리스토는 태양계에서 가장 오래된 표면을 가지고 있으며, 태양계의 다른 어떤 천체보다 많은 충돌 크레이터를 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다. 칼리스토는 크레이터로 완전히 덮여 있어 새로운 충돌체가 기존 크레이터에 부딪힐 가능성이 거의 보장됩니다.
지질학적 생명체의 흔적은 전혀 보이지 않지만, 칼리스토는 표면 아래 깊은 곳에 액체 상태의 물이 존재한다는 징후를 보이고 있습니다. 안타깝게도 칼리스토의 지각 아래에 물이 있을 가능성이 있다고 해서 반드시 생명체가 살 수 있는 곳이라는 의미는 아닙니다. 칼리스토가 놓치고 있는 것은 그 바다 안에 있는 에너지원입니다. 칼리스토의 바닷물이 암석 해저와 상호작용하여 열수 분출구에서 에너지를 공급받는다는 증거는 아직 없습니다. 따라서 칼리스토는 여전히 바다의 달로 여겨지지만 생명체 탐사의 핫한 목적지는 아닙니다. 하지만 그 자체로 흥미로운 세계입니다.