목성의 자기권
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1. 개요
목성의 자기권은 목성 주위를 둘러싼 복잡한 자기장 구조로, 활모양충격파, 자기권덮개, 자기권계면, 자기 꼬리, 자기원반 등으로 구성된다. 목성의 자기장은 금속성 수소로 이루어진 핵에서의 다이너모, 플라스마의 전류, 하전 입자의 흐름 등으로 발생하며, 태양풍의 영향을 받는다. 이오의 화산 활동으로 분출되는 물질은 자기권에 플라스마를 공급하고, 자기원반을 형성하는 데 기여한다. 목성의 오로라는 지구와 달리 지속적으로 나타나며, 전파, 자외선, 적외선, 엑스선 등 다양한 파장에서 관측된다. 목성의 자기권은 고리 및 위성과 상호작용하며, 위성의 표면을 스퍼터링하고, 플라스마의 공급원이자 흡수원 역할을 한다. 1950년대부터 데카미터 전파 방출, 싱크로트론 방사 등을 통해 목성 자기권의 존재가 확인되었으며, 파이어니어, 보이저, 갈릴레오, 주노 등 탐사선을 통해 연구가 진행되었다.
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목성의 대적점은 남반구에 위치한 거대한 고기압성 폭풍으로, 17세기부터 관측되었고 보이저와 주노 탐사선 등을 통해 자세히 관측되었으며, 최근 크기가 줄어들면서 소멸 가능성이 제기되고 있다.
| 목성의 자기권 | |
|---|---|
| 목성 자기권 | |
 | |
| 발견 정보 | |
| 발견자 | 파이어니어 10호 |
| 발견일 | 1973년 12월 |
| 행성 정보 | |
| 반지름 | 71,492 km |
| 자기 모멘트 | 2.83 T·m3 |
| 자기장 세기 | 417.0 μT (4.170 G) |
| 기울기 | ~10° |
| 경도 | ~159° |
| 자전 주기 | 9시간 55분 29.7 ± 0.1초 |
| 태양풍 정보 | |
| 속도 | 400 km/s |
| 행성간 자기장 | 1 nT |
| 태양풍 밀도 | 0.4 cm−3 |
| 자기권 구조 | |
| 활모양 충격파 | ~82 RJ |
| 자기권 계면 | 50–100 RJ |
| 자기 꼬리 | 최대 7000 RJ |
| 플라스마 정보 | |
| 플라스마 원천 | 이오, 태양풍, 전리층 |
| 이온 | On+, Sn+, H+ |
| 질량 유입률 | ~1000 kg/s |
| 플라스마 밀도 | 2000 cm−3 |
| 입자 에너지 | 최대 100 MeV |
| 오로라 정보 | |
| 오로라 | 예 |
| 스펙트럼 | 전파, 근적외선, 자외선, 엑스선 |
| 전력 | 100 TW |
| 전파 방출 | 0.01–40 MHz |
2. 구조
목성의 자기권은 활모양충격파, 자기권덮개, 자기권계면, 자기 꼬리, 자기원반 등 여러 요소로 구성된 복잡한 구조이다. 목성 주위의 자기장은 목성 핵에서의 유체 순환, 목성 주위를 지나는 플라스마의 전류, 자기권계면을 지나는 하전 입자의 흐름 등 여러 원인이 겹쳐 발생하며, 태양풍에 의해 덮여 행성간 자기장을 이룬다.[96]
목성의 자기권은 태양풍을 막는 거대한 방패 역할을 하며, 자기권계면으로 둘러싸여 있다. 자기권계면은 목성 중심에서 45 ~ 100 ''R''J (''R''J는 목성의 반지름으로 71492km) 거리에 있으며, 태양 활동에 따라 위치가 변한다.[104][106][11] 자기권계면 앞쪽(80 ~ 130 ''R''J)에는 활모양충격파가 발생하는데, 이는 태양풍과 자기권의 충돌로 생기는 교란이다.[107][108][14][15] 활모양충격파와 자기권계면 사이는 자기권덮개라고 불린다.[104][11]
목성 반대편에서는 태양풍에 의해 자기장이 길게 늘어져 자기 꼬리를 형성하는데, 이 꼬리는 토성 궤도를 넘어가기도 한다.[109][16]
목성의 자기장은 빠른 자전 속도와 위성 이오에서 나오는 플라스마 때문에 원반 형태인 자기원반으로 납작해진다.[104][118]
2. 1. 내부 자기장
지구와 마찬가지로, 목성의 자기장은 핵(내장)에서 발생하는 다이너모 작용으로 생성된다. 하지만 지구와는 달리, 목성의 핵은 금속성 수소로 이루어져 있으며, 자기장의 세기는 지구보다 훨씬 강력하다.[94] 자기장은 대체로 쌍극자 형태를 띠지만, 자전축에 대해 약 10° 기울어져 있으며, 지구와는 반대로 북반구에 쌍극자의 북극이 위치한다.[97][110]목성의 쌍극자는 자전축에서 약 10° 기울어져 있는데, 이는 지구(11.3°)와 비슷하다.[175][97] 적도에서 자기장의 세기는 417.0 μT(4.170 G)이고,[98] 이를 통해 계산한 자기 모멘트는 2.83E+20 T·m3이다.[99][100] 지구와 비교하면 세기는 20배, 자기 모멘트는 2만 배 가량 강하다. 목성의 자기장은 대기 밑 부분과 회전 속도가 같으며, 자전 주기는 9시간 55분이다. 1970년대 파이어니어 탐사선의 측정 이래로 2019년까지 자기장의 세기나 구조의 변화는 관측되지 않았으나, 주노 탐사선은 파이어니어 탐사선의 측정 결과와 비교하여 미약한 변화가 일어났음을 밝혀냈다.[101][102] 목성에는 적도 주변에 흔히 '대청점'이라고 부르는, 쌍극자의 특성을 띄지 않는 지역이 있는데, 이는 지구의 남대서양 변칙과 유사한, 영년 변화의 일종으로 추정하고 있다.[103]
2. 2. 크기와 모양
목성의 자기권은 태양풍을 막는 거대한 방패 역할을 한다. 이 자기권은 태양풍 플라스마와 목성 자기권 내부 플라스마 사이의 경계인 자기권계면으로 둘러싸여 있다. 자기권계면은 목성 중심에서 45 ~ 100 ''R''J (''R''J는 목성의 반지름으로 71492km) 거리에 있으며, 태양 활동에 따라 위치가 변한다.[104][106][11]자기권계면 앞쪽(80 ~ 130 ''R''J)에는 활모양충격파가 발생하는데, 이는 태양풍과 자기권의 충돌로 생기는 교란이다.[107][108][14][15] 활모양충격파와 자기권계면 사이는 자기권덮개라고 불린다.[104][11]
목성 반대편에서는 태양풍에 의해 자기장이 길게 늘어져 자기 꼬리를 형성하는데, 이 꼬리는 토성 궤도를 넘어가기도 한다.[109][16] 자기 꼬리는 지구와 유사하게 두 개의 로브로 구성되며, 이들은 전류판으로 분리된다.[109][16]
자기권의 모양은 여러 전류의 흐름에 의해 유지된다. 이 전류에는 자전 방향으로 흐르는 중성 전류판(자기 꼬리 전류), 자기 꼬리 경계면에서 자전 반대 방향으로 흐르는 꼬리 플라스마판, 낮 부분의 자기권계면에서 자전 반대 방향으로 흐르는 자기권계면 전류가 포함된다.[110][17] 이 전류들은 자기권 바깥에서 내부 자기장의 효과를 상쇄하고, 태양풍과 상호작용한다.[109][110][16][17]
목성의 자기권은 내부, 중앙, 외부 자기권으로 구분된다. 내부 자기권은 목성에서 10 ''R''J 이내로, 쌍극자 모양이 유지된다. 중앙(10 ~ 40 ''R''J)과 외부(40 ''R''J 이상) 자기권에서는 플라스마판과의 상호작용으로 인해 쌍극자가 나타나지 않는다.[104][11]
2. 3. 이오의 역할
화산 활동이 활발한 위성 이오는 플라스마를 자체적으로 생성하여, 매 초마다 자기권에 1,000 kg의 물질을 유입시킨다.[111] 이오는 강력한 화산 폭발을 통해 막대한 양의 이산화 황을 방출하는데, 이산화 황은 대부분 전자나 자외선에 의해 이온화 및 해리되어 황 및 산소 이온으로 변화한다. 또한 전자와의 충돌로 전하량이 더 큰 S+, O+, S2+, O2+, S3+ 플라스마를 형성한다.[112]
이 플라스마는 상대적으로 두껍고 차가우며, 이오 궤도 주변에서 목성을 두르는 "이오 플라스마 원환"을 형성한다.[111] 원환 내 플라스마의 온도는 10 ~ 100 eV(100,000 ~ 1,000,000 K)로, 방사선대 입자의 온도인 10 keV(100,000,000 K)보다 상당히 낮다. 원환 안에 있는 플라스마는 목성과 주기가 같게끔 공전하게 된다.[114] 이오 원환은 목성 자기권의 구조에 큰 영향을 준다.[113]
2. 4. 자기원반
목성의 자기장은 빠른 자전 속도와 위성 이오에서 나오는 플라스마 때문에 원반 형태로 납작해지는데, 이 구조를 "자기원반"이라고 부른다.[104][118] 자기원반은 자기 적도 부근에 얇은 전류판을 가지고 있으며,[112] 자기력선은 이 전류판 위에서는 목성 바깥쪽으로, 아래에서는 목성 안쪽으로 향한다.[106]자기원반은 적도 플라스마판을 따라 흐르는 고리 전류에 의해 유지된다.[119] 이 전류와 자기장의 상호작용으로 생기는 로런츠 힘은 플라스마가 목성을 벗어나지 못하게 하는 구심력 역할을 한다. 적도 전류판에 있는 고리 전류의 총량은 약 ~ 로 추정된다.[104][120]
이오에서 방출되는 플라스마는 목성의 자기권 크기를 키우는데, 이는 자기원반의 압력이 태양풍의 압력과 균형을 이루기 때문이다.[107] 만약 이오가 없다면, 태양 직하점에서 자기권계면까지의 거리는 75R_J에서 42R_J로 줄어들 것이다.[104]
3. 역학
목성의 자기권은 복잡한 역학 관계를 가지는데, 이는 주로 목성의 빠른 자전, 이오의 플라스마 원환체, 그리고 태양풍과의 상호작용 때문이다.
3. 1. 공공전 및 방사성 전류
목성의 자기권은 목성이 자전함에 따라 자기권 내의 플라스마도 함께 회전하는 "공공전" 현상으로 인해 복잡한 전류 체계를 가진다. 목성이 자전하면서 전리층이 자기장에 대해 상대적으로 움직이며, 이로 인해 발생하는 로런츠 힘이 전자를 극 쪽으로, 양이온을 적도 쪽으로 이동시켜 전하 분리가 일어난다.[122]목성의 자기권은 전도성이 높은 플라스마로 채워져 있어 닫힌 전기 회로처럼 작동한다.[122] '직류'라고 불리는 전류가 전리층에서 자기력선을 따라 플라스마판으로 흐른 후, 적도에서 목성 반대 방향으로 흘러 다시 전리층으로 돌아온다.[120] 이 방사성 전류와 자기장의 상호작용으로 발생하는 로런츠 힘은 플라스마를 자전 방향으로 가속시켜 공공전을 유지한다.[122]
| 종류 | 흐름 경로 | 특징 |
|---|---|---|
| 직류 | 전리층 → 자기력선 → 플라스마판 → 적도 → 전리층 | 자기력선을 따라 흐름[120] |
| 방사성 전류 | 플라스마판 내에서 목성 반대 방향 | 자기장과 상호작용하여 로런츠 힘 발생, 플라스마 가속[122] |
| 귀환 전류 | 외부 자기권(50 RJ 이상) → 극 주변 전리층 | 회로를 닫음[124] |
플라스마판이 목성보다 느리게 회전할 때 전리층에서 플라스마판으로 흐르는 전류가 강해진다.[122] 공공전은 20 ~ 40 ''R''J에서 깨지는데, 이 영역이 자기장이 늘어나는 자기원반이다.[123] 자기원반으로 흘러들어가는 직류는 목성 오로라 주 타원 영역과 연결된다.[124] 외부 자기권에서 흐르는 귀환 전류는 극 주변 전리층으로 들어가 회로를 닫는다. 자기권 내 총 방사선 전류량은 6000만 ~ 1억 4000만 암페어로 추정된다.[120][122]
플라스마가 가속되어 공공전하게 되면 목성의 자전 에너지가 플라스마의 운동 에너지로 전환된다.[104][113] 즉, 목성의 자기권은 목성 자전이 주된 동력인 반면, 지구의 자기권은 주로 태양풍에 의해 구동된다.[113]
3. 2. 교환 불안정 및 재결합
목성의 자기권 구조에서 나타나는 현상 중 하나는, 이오 원환체에 있는 차가운 플라스마가 외부 자기권까지 이동하는 것이다. 이 현상은 유체동역학에서의 레일리-테일러 불안정과 비슷한 "교환 불안정"으로 설명된다.[114] 목성 자기권에서는 원심력이 중력 역할을 하며, 이오에서 나온 플라스마는 무거운 액체, 외부 자기권의 플라스마는 가벼운 액체에 해당한다.[114]
이 불안정으로 인해 자기권 외부와 내부 사이에 플라스마로 가득 찬 유속관이 형성되어 물질 교환이 일어난다. 빈 유속관은 목성 방향으로 이동하며, 이오 플라스마로 가득 찬 무거운 유속관은 목성 반대 방향으로 밀려난다.[114] 이러한 유속관 교환은 자기 난류의 일종이다.[125]
갈릴레오 탐사선은 내부 자기권에서 플라스마 밀도가 급감하는 지역을 발견하여 이 이론을 부분적으로 검증했다.[114] 이 지역은 외부 자기권에서 내려오는 빈 유속관에 해당한다. 또한, 갈릴레오 탐사선은 중앙 자기권에서 외부의 뜨거운 플라스마가 자기원반과 충돌하여 하전 입자의 유속과 자기장 세기가 증가하는 주입 현상을 감지했다.[126]
차가운 이오 플라스마가 외부 자기권에 도착하면, 자기 재결합이 일어나 플라스마와 자기장이 분리된다.[123] 유속관은 뜨거운 플라스마로 채워진 다음 내부 자기권으로 돌아가며, 차가운 플라스마는 플라즈모이드 형태로 자기 꼬리로 방출된다. 갈릴레오 탐사선은 2~3일마다 자기 재결합으로 추정되는 사건을 관측했는데, 이 사건에서는 자기장 세기와 방향에 급격한 변화가 일어나고, 플라스마가 공공전을 멈추고 바깥으로 향하는 현상이 주로 자기권의 새벽 부분에서 관측되었다.[127] 자기 꼬리의 열린 자기력선을 따라 흐르는 플라스마는 행성풍이라고 부른다.[112][128]
이러한 재결합 사건은 지구의 자기 부폭풍과 유사하지만, 에너지원에서 차이가 있다.[123] 지구의 부폭풍은 태양풍 에너지가 자기 꼬리에 저장되었다가 방출되는 반면, 목성의 자기권에서는 자전 에너지가 자기원반에 저장되었다가 플라즈모이드가 분리될 때 방출된다.[127]
3. 3. 태양풍의 영향
목성의 자기권은 대부분 목성 내부 요인에 의해 유지되지만, 태양풍 또한 중요한 역할을 한다.[37] 태양풍은 고에너지 양성자를 공급하며,[111][130] 외부 자기권에서 낮과 밤의 비대칭 구조를 만드는 등, 태양풍으로 인한 특징이 나타난다.[120] 특히 밤에는 자기력선이 낮과 반대 방향으로 휘어 있다.[120] 또한 낮에는 자기 꼬리와 연결되는 열린 자기력선이 있지만, 밤에는 자기력선이 닫혀 있다.[109] 이를 통해 지구에서처럼 태양풍으로 인한 자기 재결합 현상(던게이 주기)이 목성에서도 일어날 수 있다고 추정할 수 있다.[123][130]
태양풍이 자기권에 미치는 영향은 명확히 알려지지 않았지만,[131] 태양 활동이 활발할 때 그 영향이 강해질 가능성이 있다.[132] 오로라에서의 전파,[174] 가시광선, 엑스선 방출,[146] 방사선대에서의 싱크로트론 방사는 태양풍의 압력과 관련이 있어, 태양풍이 자기권 내 플라스마 순환을 일으키거나 내부 과정을 조절할 가능성이 제기되었다.[127]
4. 방출
목성의 자기권은 킬로헤르츠 대역부터 수십 메가헤르츠 대역에 걸친 광범위한 전파를 방출한다. 진동수에 따라 0.3 MHz 미만은 킬로미터 대역파(KOM), 0.3 ~ 3 MHz 대역은 헥토미터 대역파(HOM), 3 ~ 40 MHz 대역은 데카미터 대역파(DAM)라고 부른다. 이 중 데카미터 대역파가 제일 먼저 관측되었으며, 약 10시간 주기로 반복되는 특성이 있어 목성에서 방출되는 것임을 빠르게 식별할 수 있었다. 특히 이오와 관련된 데카미터 대역파는 이오-DAM이라고 부른다.[147]
방출선 대부분은 오로라 지역 근처에서 발생하는 '사이클로트론 분자증폭 불안정'이라는 기작에 의해 형성되는 것으로 추정된다. 극 지방에서 자기장에 평행하게 이동하는 전자가 대기로 들어가는데, 이 중 수직 속력이 충분히 빠를 경우 자기거울에 의해 반사되어 속도 분포가 불안정해지고, 이로 인해 사이클로트론 진동수에서 전파가 방출된다. 전파 형성에 관여하는 전자는 극에서 자기원반으로 전류를 운반하는 전자로 추측된다.[148]
전파 방출 세기는 보통 시간에 따라 완만하게 변하지만, 간혹 짧고 강력한 폭발적 방출이 일어나기도 한다. 데카미터 대역에서의 총 방출 일률은 100GW이며, 헥토미터와 데카미터 대역을 합친 방출 일률은 10GW 정도이다. 참고로, 지구의 전파 방출량은 약 0.1GW이다.[147]
목성에서의 전파 및 입자 방출은 자전의 영향을 크게 받아 펄사와 비슷하게 관측된다.[149] 이러한 주기적 변동은 자기 모멘트의 기울기와 고위도에서의 자기이상으로 인한 목성 자기권의 비대칭 때문에 발생하는 것으로 추정된다. 목성은 전파 펄사와 유사한 특징을 보이며, 규모를 제외하면 큰 차이가 없어 매우 작은 전파 펄사로 간주되기도 한다.[149] 목성의 전파 방출은 태양풍의 압력과 태양 활동에 큰 영향을 받는다.[147]
목성은 싱크로트론 방사도 방출하는데, 0.1 ~ 15 GHz 대역(파장 3 m ~ 2 cm)으로, 데시미터 대역파(DIM)라고도 한다.[172] 데시미터 대역파는 내부 방사선대에 갇힌 전자에 의해 방출되며, 주로 방사선을 방출하는 전자의 에너지는 1 ~ 20 MeV이다.[151] 싱크로트론 방사는 1960년대 초부터 목성의 자기장과 방사선대 구조를 연구하는 데 사용되었다.[152]
목성의 자기권에서는 고에너지 전자와 이온도 방출되며, 지구 궤도까지 도달하기도 한다.[153] 이 입자 흐름은 한 방향으로 집중되어 있고, 전파 방출처럼 자전 주기에 맞춰 변화하며, 이 점에서도 목성은 펄사와 유사하다.[149]
4. 1. 오로라
목성은 북극과 남극 양쪽에 밝고 지속적인 오로라를 보인다. 지구와 달리 목성의 오로라는 세기가 매일 변하기는 하지만 끊이지 않고 계속 나타난다. 목성의 오로라는 크게 세 가지로 나눌 수 있다.- 주 타원(main oval): 밝고 좁은 원형 모양으로, 자극에서 16° 대역에 위치한다.[134]
- 위성 오로라 반점: 전리층과 위성 사이를 연결하는 자기력선이 접촉하는 부분이다.[134]
- 극 방출: 주 타원 내에 위치한 일시적인 방출이다.[135]
오로라의 방출선은 전파부터 엑스선(3 keV)까지 거의 모든 전자기파에서 감지되며, 보통 중적외선(3 ~ 4 μm, 7 ~ 14 μm)과 자외선(120 ~ 180 nm)에서 가장 강하다.[136]
주 타원은 오로라 중 가장 눈에 띄는 부분으로, 위치와 모양은 대체로 일정하게 유지되지만,[135] 세기는 태양풍의 압력에 따라 변한다. 태양풍이 강할수록 오로라가 약해진다.[137] 주 타원은 목성의 전리층과 자기원반 플라스마 사이의 전하 퍼텐셜 감소로 인해 전자가 유입되면서 유지된다.[138] 여기서 전자는 자기원반에서 플라스마의 공공전을 유지하는 버켈랜드 전류를 가져온다.[123] 전자의 에너지는 10 ~ 100 keV이며, 목성 대기 깊은 곳까지 들어가 수소 분자를 들뜬상태로 만들어 자외선을 방출한다.[139] 전리층에 유입되는 에너지의 총량은 약 10 ~ 100 TW이다.[140] 전리층에 흐르는 전류는 줄 가열을 통해 뜨거워지는데, 여기서 발생하는 에너지는 300 TW에 달하며, 오로라의 적외선 방출원과 목성 열권 가열의 원인으로 추정된다.
작은 반점은 이오, 유로파, 가니메데와 관련된 것으로 밝혀졌다.[141] 이 중 가장 밝은 반점은 이오에 속하며, 목성의 전리층에서 이오의 전리층으로 흐르는 알펜파와 관련이 있는 것으로 보인다. 유로파의 반점은 이오와 비슷하지만 대기가 옅고 플라스마 공급량이 적어 더 어둡다.[142] 가니메데는 자체적인 자기권이 있어 목성의 자기권과 상호작용하여 전류를 발생시킨다. 칼리스토와 관련된 반점은 유로파와 비슷할 것으로 추정되지만, 2019년 6월에 한 차례만 관측되었다.[143][144]
주 타원에는 일시적으로 밝은 활호와 반점이 나타나는데, 이는 태양풍이나 외부 자기권과의 상호작용과 관련되어 있는 것으로 추정된다.[135] 주 타원 안에 2차 타원이 관측되기도 하는데, 열린 자기력선과 닫힌 자기력선 사이의 경계나 극 지방의 첨점과 관련된 것으로 추정된다.[145] 주 타원 내부에서 엑스선 대부분이 방출되는데, 스펙트럼 분석 결과는 이온화된 산소와 황 이온이 대기로 들어가면서 발생하는 것으로 추측된다.[146]
4. 2. 전파 대역
목성은 킬로헤르츠 대역부터 수십 메가헤르츠 대역에 걸친 광범위한 전파를 방출한다. 목성에서 방출되는 전파 중 진동수 0.3 MHz 미만(파장 1 km 이상)은 킬로미터 대역파(KOM), 진동수 0.3 ~ 3 MHz (파장 100 ~ 1000 m) 대역은 헥토미터 대역파(HOM), 진동수 3 ~ 40 MHz (파장 10 ~ 100 m) 대역은 데카미터 대역파(DAM)라고 부른다. 셋 중 데카미터 대역파가 제일 처음 관측되었으며, 약 10시간 주기로 반복되는 특성이 있어 목성에서 방출되는 것임을 빠르게 식별할 수 있었다. 데카미터 대역파 중 이오와 관련이 있는 부분은 이오-DAM이라고 부른다.[147]방출선 대부분은 오로라 지역 근처에서 발생하는 '사이클로트론 분자증폭 불안정'이라고 부르는 기작에 의해 형성되는 것으로 추정하고 있다. 극 지방에서 자기장에 평행하게 이동하는 전자는 대기로 들어가는데, 이 중 수직 속력이 충분히 빠를 경우 자기거울에 의해 반사되어, 속도 분포가 불안정해져, 사이클로트론 진동수에서 전파가 방출된다. 전파 형성에 관려하는 전자는 극에서 자기원반으로 전류를 운반하는 전자로 추측하고 있다.[148] 전파의 방출 세기는 보통 시간에 따라 완만하게 변화하는데, 간혹 짧고 강력한 폭발적 방출이 일어나, 다른 모든 요소보다 강하게 빛나기도 한다. 데카미터 대역에서의 총 방출 일률은 100 GW, 헥토미터와 데카미터 대역을 합친 방출 일률은 10 GW 정도이다. 참고로, 지구의 전파 방출량은 약 0.1 GW이다.[147]
목성에서의 전파 및 입자 방출은 자전의 영향을 크게 받기 때문에, 펄사와 비슷하게 관측된다.[149] 주기적 변동은 자기 모멘트의 기울기와 고위도에서의 자기이상으로 인한 목성의 자기권의 비대칭으로 인해 발생하는 것으로 추정하고 있다. 목성에서의 전파 방출은 전파 펄사의 특징과 비슷하며, 규모를 제외한 차이가 없기 때문에, 목성을 매우 작은 전파 펄사로 보기도 한다.[149] 목성의 전파 방출은 태양풍의 압력과 태양 활동에 큰 영향을 받는다.[147]
5. 고리 및 위성과의 상호작용
목성의 자기권은 목성의 고리와 갈릴레이 위성 4개( 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토) 모두에 영향을 준다.[160] 이 천체들은 자기 적도 근처를 공전하기 때문에, 자기권 플라스마의 공급원이 되기도 하고, 플라스마가 표면과 상호작용하여 사라지기도 한다. 플라스마의 공공전으로 인해, 플라스마는 위성의 역행 반구에 주로 영향을 주어 위성의 양쪽 표면에 눈에 띄는 차이가 생긴다.[155]
목성 가까이에서 고리와 작은 위성은 방사선대에서 10 keV 이상의 고에너지 입자를 흡수한다.[156] 이로 인해 방사선대에 구멍이 생기고, 데시미터 대역 싱크로트론 복사에 영향을 준다. 파이어니어 11호가 목성 근처에서 고에너지 이온 수가 급감하는 지역을 발견하면서 목성에 고리가 있다는 이론이 제기되었다.[156] 고리 입자는 태양 자외선을 받아 전하를 얻어 자기장에 따라 이동하는데, 이는 공공전 이온과 유사하다.[157]
가장 안쪽 고리인 헤일로 고리(1.4 ~ 1.71 ''R''J)는 입자의 운동과 공공전 사이의 관계를 통해 형성 과정을 설명할 수 있다. 헤일로 고리의 입자는 경사와 이심률이 큰 궤도를 도는데,[158] 이는 입자가 주 고리에서 목성 쪽으로 이동할 때, 1.71 ''R''J 거리에서 3:2 로런츠 공명의 영향으로 경사와 이심률이 커지기 때문이다. 헤일로 고리의 안쪽 경계인 1.4 ''R''J는 2:1 로런츠 공명이 일어나는 위치이다.[159]
갈릴레이 위성 모두에는 기압 0.01 ~ 1 nbar인 옅은 대기가 있어, 전자 밀도가 1,000 ~ 10,000 cm−3인 전리층이 존재할 수 있다.[160] 차가운 자기권 플라스마는 이 전리층에서 유도되는 전류로 인해 바깥으로 분산되어 알프벤 날개(Alfvén wing영어)라고 부르는 쐐기 모양 구조가 만들어진다.[161] 공공전 입자와 위성 간의 상호작용은 금성처럼 자기장이 없는 행성과 태양풍 간의 상호작용 모습과 비슷하다.[162] 하지만 공공전 속도는 74 ~ 328 km/s로 음속보다 느려 활모양충격파는 만들어지지 않는다.[162] 공공전 플라스마로 인한 압력은 위성의 대기를 벗겨내며, 대기에 있던 원자 일부는 이온화되어 공공전 플라스마로 합류한다. 이 과정을 거치며 위성 궤도에는 기체 및 플라스마 원환이 생기며, 특히 이오에서 두드러지게 나타난다. 이러한 과정을 통해 갈릴레이 위성은 내부 및 중앙 자기권에 플라스마를 공급한다.[160] 하전 입자는 알프벤 날개의 영향을 거의 받지 않아, 가니메데를 제외한 위성의 표면에 자유롭게 다다를 수 있다.[163]
얼음 위성인 유로파, 가니메데, 칼리스토에서는 목성의 자기장이 변화함에 따라 유도 자기 모멘트가 발생하는데, 이로 인해 주변 자기장의 변화를 상쇄하는 방향으로 위성에 쌍극자 자기장이 발생한다.[160] 유도 자기 모멘트는 세 위성 모두 지하의 염수 바다가 존재하기 때문에 발생하는 것으로 추정하고 있다. 지하 바다에 생명이 존재할 가능성이 있기 때문에, 갈릴레오 탐사선이 자기 모멘트를 발견한 것이 탐사선의 가장 큰 성과로 받아들여진다.[164]
자체적인 자기 모멘트가 있는 가니메데와 자기권의 상호작용은 다른 위성과 다르다.[164] 가니메데의 내장은 자기권 속에 가니메데 지름의 2배 정도 되는 구멍을 만들어, 자기권 속에 자기권이 만들어진다. 가니메데의 자기장은 공공전 플라스마가 자신의 자기권 주변으로 돌아 흐르게끔 유도하며, 자기력선이 닫힌 적도 지방은 하전 입자로부터 보호받아, 극 지방만 하전 입자의 영향을 받는다.[165] 입자 일부는 가니메데 적도 근처에 잡혀, 방사선대를 형성한다.[166] 또한, 가니메데에 있는 옅은 대기와 전자가 부딪히며 극 지방에서 오로라가 발생하기도 한다.[165]
하전 입자는 갈릴레이 위성 표면에도 상당한 영향을 준다. 이오에서 만들어지는 플라스마는 황과 나트륨 이온을 데리고 목성에서 더 멀어져,[167] 유로파와 가니메데의 역행 반구에 주로 쌓인다.[168] 칼리스토에서는 알 수 없는 이유로 순행 반구에 황이 모인다.[169] 또한, 플라스마로 인해 칼리스토를 제외한 위성의 역행 반구의 색이 어두워진다.[155] 전자와 이온은 표면에 있는 얼음을 때려, 화합물을 분해하는데, 주로 물이 분해되서 수소와 산소가 생기며, 수소는 빠르게 탈출하기 때문에 위성에 산소 대기가 생겨난다. 여기에 같은 원리로 오존과 과산화 수소도 생겨난다.[170] 만약 표면에 유기물이나 탄산염이 있을 경우, 이산화 탄소, 메탄올, 탄산이 생겨날 수 있고, 황이 있을 경우 이황화 수소와 황산이 만들어질 수 있다.[170] 산소나 오존 등 산화제는 얼음 속에 갇혀 지하 바다로 운반되어, 생명의 에너지원으로 쓰일 가능성도 있다.[167]
6. 발견
목성의 자기권 존재에 대한 최초의 증거는 1955년 데카미터 대역 전파 방출 현상 발견으로 나타났다.[171] 이 전파의 대역이 40 MHz까지 올라갔기 때문에, 목성에 1 밀리테슬라 (10 가우스) 세기의 자기권이 있어야만 이 현상을 설명할 수 있었다.[172]
1959년 마이크로파 대역(0.1–10 GHz) 관측 결과, 데카미터 대역 전파가 목성 방사선대에 잡힌 상대론적 전자빔에서 방출되는 싱크로트론 방사임이 밝혀졌다.[173] 이를 통해 목성 주변 전자 수와 에너지를 측정하여 자기 모멘트 크기와 회전축 기울기를 추정할 수 있었다.[111]
1964년 이오에 의한 데카미터 전파 변조가 밝혀져 목성의 자전 주기를 정확하게 측정할 수 있었다.[174] 1973년에는 자기 모멘트 크기를 100배 이내 범위에서 추정할 수 있었고, 기울기는 10° 정도로 밝혀졌다.[105] 1973년 12월 파이어니어 10호가 목성 주변을 통과하며 자기권의 존재가 확실히 밝혀졌다.[175]
7. 1970년 이후의 탐사
2009년 기준, 총 8대의 우주선이 목성 주위를 비행했으며, 이들 모두가 현재의 목성 자기권에 대한 지식에 기여했다. 1973년 12월 파이어니어 10호가 목성에 처음 도착하여, 목성 중심에서 2.9 ''R''J 떨어진 곳을 지나갔다.[175][105][12][83] 1년 후, 쌍둥이 탐사선인 파이어니어 11호는 경사가 큰 궤도를 따라 도착해, 1.6 ''R''J 지점까지 접근하였다.[105][12]
파이어니어 10호는 안쪽 방사선대인 20 ''R''J 부근을 통과하며,[104][11] 전자로부터 200,000 라드, 양성자로부터 56,000 라드를 받았다.[176][84] 탐사선이 받은 방사선의 양은 설계 당시 예상했던 양보다 10배 더 많았기 때문에, 탐사선이 살아남지 못할 것이라고 예상하였으나, 당시 목성의 자기권이 위쪽으로 약간 치우쳐 탐사선을 비껴갔기 때문에, 사소한 오류를 제외하고는 무사히 통과하였다. 다만 파이어니어 11호는 방사선으로 인해 사진 편광계가 '거짓 명령'을 받아, 이오를 촬영한 사진 여럿을 잃었다. 이후 목성을 탐사한 보이저 계획에서는 높은 방사선을 견딜 수 있도록 설계가 보강되었다.[177][85]
보이저 1호와 보이저 2호는 1979년~1980년에 목성에 도착했으며, 거의 적도면에 일치하게끔 지나갔다. 보이저 1호는 목성 중심에서 5 ''R''J 떨어진 지점을 지나갔으며,[105][12] 최초로 이오 플라스마 원환에 접촉했으며,[104][11] 인간의 치사량의 수천 배에 달하는 방사능을 받은 결과, 이오와 가니메데를 촬영한 고화질 사진 몇 장이 심각하게 열화되었다.[178][86] 보이저 2호는 10 ''R''J 거리를 지나갔으며,[105][12] 적도 전류판을 발견하였다. 다음으로 목성에 도착한 탐사선은 율리시스로, 자기권의 극 지방을 탐사하였다.[104][11]
1995년부터 2003년까지 목성을 돌았던 갈릴레오 탐사선은 100 ''R''J에 이르는 넓은 범위를 탐사하였으며, 자기 꼬리 등 여러 지역을 연구하였다.[104][11] 탐사선은 방사선을 견디긴 했지만, 일부 기술적 문제를 겪었다. 특히, 자이로스코프의 오류가 늘었고, 탐사선의 회전하는 부분과 회전하지 않는 부분 사이에서 아크 방전이 일어나, 16번째, 18번째, 33번째 궤도에서 얻은 자료가 완전히 소실되었다. 방사선으로 인해 갈릴레오 탐사선에 실렸던 결정 진동자에서는 여러 차례 위상 변환이 일어났다.[179][87]
2000년 카시니가 목성 주위를 지나쳐갈 때는 갈릴레오 탐사선과 합동 관측을 진행하였으며,[104][11] 2007년 뉴 허라이즌스는 2500 ''R''J 거리까지 자기 꼬리를 따라가며 탐사를 진행하였다.[180][88] 2016년 7월 주노 탐사선은 극 지방의 자기장을 탐사하기 위해 목성 궤도에 진입하였다.[181][89] 목성의 자기권 연구 수준은 지구에서의 연구 수준보다 매우 낮으며, 더 자세한 이해를 위해서는 추가적인 연구가 필수적이다.[104][11]
2003년 미국 항공우주국(NASA)은 미래의 외태양계 유인 탐사를 위해 유인 외행성 탐사 (Human Outer Planets Exploration|휴먼 아우터 플래닛 익스플로레이션영어) 연구를 진행하였는데, 방사능과 지질학적 안정성을 이유로, 칼리스토의 표면에 기지를 세울 가능성을 제안하였다. 이오, 유로파, 가니메데의 방사능 수준은 인간에 치명적일 정도로 높아, 갈릴레이 위성 중 칼리스토만 유인 탐사의 가능성이 있다.[182][90]
8. 2010년 이후의 탐사
2011년 발사된 주노 탐사선은 2016년 목성에 도착하여, 자기계와 플라스마 감지기 등 자기권 연구를 위한 장비를 싣고 목성의 극지방 자기장을 탐사하고 있다.[183] 주노 탐사선은 목성 자기장의 공간적 변화가 크다는 사실을 밝혀냈는데, 이는 다이너모 지름이 크기 때문으로 추정된다. 2017년에는 오로라와 관련된 강한 전류(버켈랜드 전류)가 존재하지 않는다는 사실도 밝혀졌다.[185]
2023년 4월에는 유럽 우주국의 목성 얼음 위성 탐사선이 발사되어 가니메데의 자기장을 연구할 계획이며, 중국국가항천국의 톈원 4호도 칼리스토나 이오를 연구할 계획이다.
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