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목성

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목차

1. 개요

목성은 태양계에서 가장 큰 행성으로, 형성 및 궤도, 물리적 특징, 위성, 태양계와의 상호작용, 연구 및 탐사 등 다양한 특징을 가지고 있다. 목성은 태양계 초기에 지구와 다른 행성들의 형성에 중요한 역할을 했으며, 현재 95개의 위성을 가지고 있다. 목성의 자기권은 태양계에서 가장 강력하며, 대적점과 같은 독특한 대기 현상을 보인다. 인류는 지상 망원경, 전파망원경, 그리고 다양한 탐사선을 통해 목성을 연구해왔으며, 현재 주노 탐사선이 목성 탐사를 진행 중이다.

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목성
지도 정보
기본 정보
이름목성
로마자 표기Jupiter
라틴어 표기Iuppiter
천문 기호[[파일:Jupiter symbol (bold).svg|24px|class=skin-invert|♃]]
별칭세성
분류목성형 행성
궤도 종류외행성
형용사목성의 ()
이미지
NASA 허블 우주 망원경으로 촬영한 목성 이미지
2014년 4월 허블 우주 망원경으로 촬영한 천연색의 전체 원반 모습. 목성의 대기 및 외형은 끊임없이 변화하므로, 오늘날의 모습은 이 이미지가 촬영되었을 때와 다를 수 있다. 그러나 이 이미지에는 대적반과 같이 일관되게 나타나는 특징들이 있다.
탐사선 카시니가 촬영한 목성 사진 (2000년 12월 10일)
탐사선 카시니에 의한 촬영 (2000년 12월 10일)
발견 정보
발견 년도유구한 역사 이전
발견 방법육안 관측
궤도 정보
기준 시점J2000
궤도 참조태양
궤도 긴반지름5.20260 au ()
궤도 장반경778,412,010 km
근일점 거리4.952 au ()
원일점 거리5.455 au ()
궤도 경사1.303° (황도 기준)
6.09° (태양의 적도 기준)
0.32° (불변면 기준)
궤도 승교점 경도100.464°
근일점 편각273.867°
평균 근점 이각20.020°
공전 주기

물리적 특징
평균 반지름(지구의 )
1 bar 대기압 기준
적도 반지름(지구의 , 태양의 )
1 bar 대기압 기준
극 반지름(지구의 )
1 bar 대기압 기준
표면적(지구의 )
부피(지구의 )
1 bar 대기압 기준
질량(지구의 , 태양의 )
평균 밀도
1 bar 대기압 기준
표면 중력
1 bar 대기압 기준
탈출 속도
1 bar 대기압 기준
자전 주기(9시간 55분 33초)
항성일9.9250 시간 (9시간 55분 30초)
자전축 기울기3.13° (궤도 기준)
북극의 적경268.057° ()
북극의 적위64.495°
반사율 (본드)0.503
반사율 (기하)0.538
겉보기 등급−2.94 ~ −1.66
절대 등급−9.4
각지름29.8" ~ 50.1"
대기
대기 성분수소:
헬륨:
메탄:
암모니아:
중수소화 수소:
에탄:
물:
온도 (1 bar)평균 165 K
온도 (0.1 bar)평균 128 K (최저 78 K)
기타
위성 수95개
명명 기준주피터

2. 형성 및 궤도

목성은 태양과의 무게중심이 태양의 체적 바깥에 있는 유일한 행성으로, 그 무게중심은 태양 표면으로부터 태양 반지름의 7% 밖에 위치한다.[126][127] 목성과 태양 사이의 평균 거리는 7억 7,800만 km(지구와 태양 사이 평균 거리의 5.2배, 즉 5.2 AU)이며 11.86년마다 한 번씩 공전을 완주한다. 이 주기는 토성 공전주기의 2/5배로, 태양계에서 가장 큰 두 행성은 5:2 궤도공명을 이루고 있다.[128] 목성의 타원궤도는 지구에 대해 1.31˚ 기울어져 있으며, 0.048의 궤도이심률 때문에 태양에 대한 목성의 거리는 근일점에서부터 원일점까지 약 75억km 차이난다.

목성의 자전축 경사는 약 3.13˚로 상대적으로 작아 지구나 화성에 비해 큰 계절적 변화를 겪지 않는다.[130] 목성의 자전은 10시간 이내로 한 바퀴를 완주할 만큼 태양계의 모든 행성 중에서 가장 빠르다. 이러한 자전으로 인해 목성은 지상의 아마추어 망원경으로도 쉽게 확인할 수 있을 정도의 적도 팽대부가 만들어진다. 목성은 극지름보다 적도지름이 더 큰 편구 모양이며, 적도지름은 극지름보다 9276km 더 길다.

목성은 고체가 아니기 때문에 행성의 상층부 대기는 차등회전을 겪는다. 목성의 극 대기의 자전은 적도 대기의 자전보다 주기가 5분 더 길다. 그래서 대기 현상의 운동을 도표화하기 위해 세 가지 계가 기준 좌표계로 사용된다. 제일회전계(''System I'')는 북위 10˚에서 남위 10˚까지 적용되며, 자전주기는 9시간 50분 30초로 목성에서 가장 짧다. 제이회전계(''System II'')는 그 외의 모든 위도에서 적용되며, 자전주기는 9시 55분 40.6초이다. 제삼회전계(''System III'')는 전파천문학자들이 처음으로 밝혀낸 것으로, 목성 자기권의 자전과 상관있으며, 목성의 공식적인 자전주기로 쓰인다.

3시간 타임랩스로 본 목성의 자전과 위성의 공전


지구와 그 주변 행성들은 목성과 충돌로 인해 파괴된 태양 근처 슈퍼지구들의 잔재로부터 형성되었다. 과학자들이 대전이 가설(''Grand Tack Hypothesis'')이라고 부르는 가설에 따르면, 목성이 태양계 안쪽으로 침투하면서 중력에 의한 잡아당김과 끌기로 인해 슈퍼지구들의 궤도가 겹쳐지기 시작하면서 이들 사이에서 여러 충돌이 발생하였다.

천문학자들은 여러 행성으로 이루어진 약 500개의 행성계를 발견하였으며, 이러한 계들은 주로 지구보다 수 배 이상 큰 질량의 행성(슈퍼지구)을 하나 이상 포함하며, 수성보다 더 가까운 거리에서 모성을 공전하고 있다. 목성과 같은 거대기체행성 또한 종종 모성과 가까이서 발견된다. 목성이 태양계 안쪽에서 튕겨져 나오면서 지구를 포함한 내행성들이 형성될 수 있었다.

2. 1. 형성

목성은 태양계에서 가장 오래된 행성으로 여겨지며, 태양이 생성된 지 100만 년 후, 지구보다 약 5000만 년 전에 형성된 것으로 추정된다.[22] 현재 태양계 형성 모델은 목성이 얼음선(초기 태양으로부터 물과 같은 휘발성 물질이 고체로 응축될 만큼 온도가 충분히 낮은 거리) 또는 그 너머에서 형성되었음을 시사한다.[25] 목성은 먼저 고체 핵을 형성한 후 기체 대기를 축적했다. 따라서 태양 성운이 완전히 흩어지기 전에 형성되었어야 한다.[33] 형성 과정에서 목성의 질량은 점차 증가하여 지구 질량의 20배에 달했으며, 그중 약 절반은 규산염, 얼음 및 기타 중원소 성분으로 구성되었다.[22] 원시 목성이 지구 질량의 50배보다 커지자 태양 성운에 틈이 생겼고,[22] 그 후 3~4백만 년 만에 최종 질량에 도달했다.[22][33]

목성은 태양과 같은 원소(수소와 헬륨)로 구성되어 있기 때문에, 태양계 초기 형성 단계에서 목성이 두 번째 원시별이었을 것이라는 주장이 제기되었다. 그러나 목성은 수소 핵융합을 할 수 있을 만큼 충분한 질량이 없기 때문에 원시별이나 갈색왜성으로 분류되지 않는다.[23][24]

거대 이동 가설에 따르면, 목성은 태양으로부터 약 3.5AU 거리에서 형성되기 시작했다. 어린 행성이 강착을 통해 질량을 축적함에 따라, 태양을 공전하는 가스 원반과의 상호 작용과 토성으로부터의 궤도 공명으로 인해 안쪽으로 이동했다.[25][26] 이것은 태양에 더 가까이 공전하는 여러 슈퍼지구의 궤도를 교란시켜 파괴적인 충돌을 일으켰다.[28] 토성은 나중에 목성보다 더 빠른 속도로 안쪽으로 이동하기 시작하여 두 행성이 태양으로부터 약 1.5AU 거리에서 3:2 평균 운동 공명에 갇히게 되었다.[27] 이것은 이동 방향을 바꾸어 태양으로부터 멀어지게 하고 내부 태양계에서 현재 위치로 이동하게 했다.[28] 이 모든 일은 3~6백만 년에 걸쳐 일어났으며, 목성의 최종 이동은 수십만 년에 걸쳐 일어났다.[26][29] 목성의 내부 태양계로부터의 이동은 결국 지구를 포함한 내부 행성들이 파편으로부터 형성될 수 있도록 했다.[30]

거대 이동 가설에는 몇 가지 문제점이 있다. 지구형 행성의 형성 시간 척도는 측정된 원소 조성과 일치하지 않는 것으로 보이며,[31] 목성이 태양 성운을 통과하여 이동했다면 태양에 훨씬 더 가까운 궤도에 자리 잡았을 것이다.[32] 태양계 형성에 대한 몇몇 경쟁 모델은 현재 목성과 유사한 궤도 특성을 가진 목성의 형성을 예측한다.[33] 다른 모델은 목성이 18AU 등 훨씬 더 먼 거리에서 형성되었을 것이라고 예측한다.[34][35]

나이스 모델에 따르면, 태양계 역사의 처음 6억 년 동안 원시 카이퍼 벨트 천체의 유입으로 인해 목성과 토성이 초기 위치에서 1:2 공명으로 이동하여 토성이 더 높은 궤도로 이동하고, 천왕성과 해왕성의 궤도를 교란시키고, 카이퍼 벨트를 고갈시키고, 후기 대폭격을 일으켰다.[36]

점핑-목성 시나리오에 따르면, 목성이 초기 태양계를 통과하면서 다섯 번째 가스 행성이 튕겨져 나갔을 수 있다. 이 가설은 궤도 이동 중에 목성의 중력적 영향이 다른 가스 행성의 궤도를 교란시켜 행성 하나를 태양계 밖으로 밀어냈을 가능성을 시사한다. 이러한 사건의 역학은 태양계의 형성과 구성을 극적으로 변화시켜 오늘날 인류가 관찰하는 네 개의 가스 행성만 남겼을 것이다.[37]

목성의 구성을 바탕으로 연구원들은 태양으로부터 20AU에서 30AU 거리( 분자 질소(N2) 눈 선 외부) 및 40AU 거리(아르곤 눈 선 외부)에서 초기 형성을 주장했다.[38][39] 이러한 극단적인 거리 중 하나에서 형성된 목성은 약 70만 년에 걸쳐 현재 위치로 이동했을 것이며,[34][35] 이 시기는 행성이 형성되기 시작한 지 약 200~300만 년 후였다. 이 모델에서 토성, 천왕성, 해왕성은 목성보다 더 먼 곳에서 형성되었을 것이며, 토성 또한 안쪽으로 이동했을 것이다.[34]

2. 2. 궤도 전이 (대전이 가설)

지구와 그 주변의 행성들은 목성과 충돌로 인해 파괴된 태양 근처의 슈퍼지구들의 잔재로부터 형성되었다. 과학자들이 대전이 가설(Grand Tack Hypothesis)이라고 부르는 가설에 따르면 목성이 태양계 안쪽으로 침투하면서 중력에 의한 잡아당김과 끌기로 인해 슈퍼지구들의 궤도가 겹쳐지기 시작하면서 이들 사이에서 여러 충돌이 발생하였다.

천문학자들은 여러 개의 행성으로 이루어진 약 500개의 행성계를 발견하였으며, 이러한 계들은 주로 지구보다 수 배 이상 큰 질량의 행성(슈퍼지구)을 하나 이상 포함하며, 수성보다 더 가까운 거리에서 모성의 주변을 공전하고 있다. 목성과 같은 거대기체행성 또한 종종 모성과 가까이서 발견된다.

목성이 태양계 안쪽에서 튕겨져 나오면서 지구를 포함한 내행성들이 형성될 수 있었다.

"거대 이동 가설"에 따르면, 목성은 태양으로부터 약 3.5 AU 거리에서 형성되기 시작했다. 어린 행성이 강착을 통해 질량을 축적함에 따라, 태양을 공전하는 가스 원반과의 상호 작용과 토성으로부터의 궤도 공명으로 인해 안쪽으로 이동했다.[25][26] 이것은 태양에 더 가까이 공전하는 여러 슈퍼지구의 궤도를 교란시켜 파괴적인 충돌을 일으켰다.[28] 토성은 나중에 목성보다 더 빠른 속도로 안쪽으로 이동하기 시작하여 두 행성이 태양으로부터 약 1.5 AU 거리에서 3:2 평균 운동 공명에 갇히게 되었다.[27] 이것은 이동 방향을 바꾸어 태양으로부터 멀어지게 하고 내부 태양계에서 현재 위치로 이동하게 했다.[28] 이 모든 일은 3~6백만 년에 걸쳐 일어났으며, 목성의 최종 이동은 수십만 년에 걸쳐 일어났다.[26][29] 목성의 내부 태양계로부터의 이동은 결국 지구를 포함한 내부 행성들이 파편으로부터 형성될 수 있도록 했다.[30]

거대 이동 가설에는 해결되지 않은 몇 가지 문제점이 있다. 지구형 행성의 형성 시간 척도는 측정된 원소 조성과 일치하지 않는 것으로 보인다.[31] 목성은 태양 성운을 통과하여 이동했다면 태양에 훨씬 더 가까운 궤도에 자리 잡았을 것이다.[32] 태양계 형성에 대한 몇몇 경쟁 모델은 현재 목성과 유사한 궤도 특성을 가진 목성의 형성을 예측한다.[33] 다른 모델은 목성이 18 AU 등 훨씬 더 먼 거리에서 형성되었을 것이라고 예측한다.[34][35]

나이스 모델에 따르면, 태양계 역사의 처음 6억 년 동안 원시 카이퍼 벨트 천체의 유입으로 인해 목성과 토성이 초기 위치에서 1:2 공명으로 이동하여 토성이 더 높은 궤도로 이동하고, 천왕성과 해왕성의 궤도를 교란시키고, 카이퍼 벨트를 고갈시키고, 후기 대폭격을 일으켰다.[36]

점핑-목성 시나리오에 따르면, 목성이 초기 태양계를 통과하면서 다섯 번째 가스 행성이 튕겨져 나갔을 수 있다. 이 가설은 궤도 이동 중에 목성의 중력적 영향이 다른 가스 행성의 궤도를 교란시켜 행성 하나를 태양계 밖으로 밀어냈을 가능성을 시사한다. 이러한 사건의 역학은 태양계의 형성과 구성을 극적으로 변화시켜 오늘날 인류가 관찰하는 네 개의 가스 행성만 남겼을 것이다.[37]

목성의 구성을 바탕으로 연구원들은 태양으로부터 20~30 AU 거리에 있는 분자 질소(N2) 눈 선 외부, 그리고 아르곤 눈 선 외부인 40 AU 거리에서 초기 형성을 주장했다.[38][39] 이러한 극단적인 거리 중 하나에서 형성된 목성은 약 70만 년에 걸쳐 현재 위치로 이동했을 것이다.[34][35] 이 시기는 행성이 형성되기 시작한 지 약 200~300만 년 후였다. 이 모델에서 토성, 천왕성, 해왕성은 목성보다 더 먼 곳에서 형성되었을 것이며, 토성 또한 안쪽으로 이동했을 것이다.[34]

2. 3. 공전 및 자전

목성은 태양과의 무게중심이 태양의 체적 바깥에 위치한 유일한 행성으로, 그 무게중심은 태양 표면으로부터 태양 반지름의 7% 밖에 위치한다.[126][127] 목성과 태양 사이의 평균 거리는 7억 7,800만 km(지구와 태양 사이의 평균 거리의 5.2배, 즉 5.2 AU)이며 11.86년마다 한 번씩 공전을 완주한다. 이 주기는 토성의 공전주기의 2/5배로, 즉 태양계에서 가장 큰 두 행성은 5:2 궤도공명을 이루고 있다.[128] 목성의 타원궤도는 지구에 대해 1.31˚ 기울어져 있다. 0.048의 궤도이심률 때문에 태양에 대한 목성의 거리는 가장 가까운 지점(근일점)에서부터 가장 먼 지점(원일점)까지 약 7,500만 킬로미터 차이난다.

목성의 자전축 경사는 약 3.13˚로 상대적으로 작다. 때문에 목성은 지구나 화성에 비해 큰 계절적 변화를 겪지 않는다.[130]

목성의 자전은 10시간 이내로 한바퀴를 완주할 만큼 태양계의 모든 행성 중에서 가장 빠르다. 이러한 자전으로 인해서 목성은 지상의 아마추어 망원경을 통해서 쉽게 확인할 수 있을 정도의 적도 팽대부가 만들어진다. 행성의 모양은 극지름보다 적도지름이 더 큰 편구 모양이다. 목성의 적도지름은 극지름보다 9276km 더 길다.

목성은 고체가 아니기 때문에 행성의 상층부 대기는 차등회전을 겪는다. 목성의 극 대기의 자전은 적도 대기의 자전보다 주기가 5분 더 길다. 그래서 특히 대기 현상의 운동을 도표화 하기 위해서 세가지 계가 기준 좌표계로 사용된다. 제일회전계(''System I'')는 북위 10˚에서 남위 10˚까지 적용된다. 제일회전계의 자전주기는 9시간 50분 30초로 목성에서 가장 짧다. 제이회전계(''System II'')는 그 외의 모든 위도에서 적용되는데, 자전주기는 9시 55분 40.6초이다. 제삼회전계(''System III'')는 전파천문학자들이 처음으로 밝혀낸 것으로, 목성 자기권의 자전과 상관있다. 제삼회전계의 자전주기는 목성의 공식적인 자전주기로 쓰인다.

3. 물리적 특징

목성은 주로 기체와 액체로 이루어져 있다. 적도 지름은 142984km이고, 밀도는 1.326 g/cm3으로 태양계의 거대 행성 중에서는 두 번째로 높지만, 지구형 행성보다는 낮다.[40]

설명 참조
지구와 지구의 달과 비교한 목성의 크기


목성은 가스 행성으로, 수소와 헬륨이 주성분이다. 행성 지질학에서는 이러한 물질을 '기체'로 분류하지만, 이는 물질의 상태를 의미하는 것은 아니다. 목성은 태양계에서 가장 큰 행성으로, 지구 부피의 1,321배에 달한다.[40] 평균 밀도는 1.326 g/cm3으로, 설탕 시럽과 거의 같다.[41] 이는 네 개의 지구형 행성보다 낮다.[42][43]

목성은 지구보다 약 10배 크고(지구 반지름의 11.209배), 태양보다는 작다(태양 반지름의 0.10276배). 목성의 질량은 지구의 318배이며, 태양계의 다른 모든 행성 질량을 합한 것의 2.5배이다. 목성은 매우 무거워서 태양과의 중심이 태양 표면 위, 태양 중심에서 1.068 태양 반지름에 위치한다.[56][57] 목성의 반지름은 태양 반지름의 약 1/10이며,[58] 질량은 태양 질량의 1/1000이다. 이는 두 천체의 밀도가 비슷하기 때문이다.[59] 목성 질량은 다른 천체, 특히 외계 행성과 갈색 왜성의 질량을 나타내는 단위로 사용된다.

이론적 모델에 따르면, 목성의 질량이 40% 이상 증가하면 내부가 압축되어 부피가 감소한다. 질량 변화가 작을 경우 반지름은 크게 변하지 않는다.[62] 따라서 목성은 그 구성과 진화 역사를 고려했을 때 가능한 한 가장 큰 직경을 가진 것으로 생각된다.[63] 질량이 증가함에 따라 수축하는 과정은 항성 점화가 일어날 때까지 계속된다.[64] 목성이 수소 핵융합을 일으켜 항성이 되려면 약 75배 더 무거워야 하지만,[65] 가장 작은 적색 왜성의 반지름이 토성보다 약간 클 수 있기 때문에 목성의 직경은 충분하다.[66]

목성은 수축하는 내부의 켈빈-헬름홀츠 메커니즘 때문에 태양 복사를 통해 받는 것보다 더 많은 열을 방출한다.[67][68] 이 과정으로 인해 목성은 매년 약 1mm씩 수축한다.[69][70] 형성 당시 목성은 현재보다 더 뜨거웠고 현재 직경의 약 두 배였다.[71]

목성 내부 구조 다이어그램
|thumb|upright=2|alt=캡션 참조|목성의 내부, 표면 특징, 고리 및 내부 위성을 보여주는 다이어그램

21세기 초 이전까지 과학자들은 목성의 형성에 대해 두 가지 시나리오를 제시했다. 첫 번째는 행성이 먼저 고체로 생성된 후, 고밀도 행성 핵 주변에 유체 금속성 수소층과 분자 수소로 구성된 외곽 대기가 형성되었다는 것이다.[72][70] 두 번째는 행성이 기체 원시행성계 원반에서 직접 붕괴되어 핵이 없고, 중심까지 밀도가 높아지는 유체로 구성되어 있다는 것이다. 주노 탐사선의 자료에 따르면, 목성은 행성 반지름의 30~50%까지 뻗어 있는 희미한 핵을 가지고 있으며, 지구 질량의 7~25배에 달하는 무거운 원소들이 핵과 맨틀에 섞여 있다.[73][74][75] 이는 행성 형성 과정에서 발생했거나,[76] 목성 형성 후 지구 질량의 약 10배에 달하는 행성과의 충돌로 인해 발생했을 수 있다.[74][77]

금속성 수소층 바깥에는 투명한 수소 내부 대기가 있다. 이 깊이에서 압력과 온도는 분자 수소의 임계압력 1.3 MPa 및 임계온도 을 초과하여, 수소는 초임계 유체 상태가 된다. 구름층 아래쪽으로 뻗어 있는 수소와 헬륨 기체는 더 깊은 층에서 점차 액체로 전환되며, 액체 수소와 다른 초임계 유체의 바다와 비슷할 수 있다.[67][79][80] 물리적으로 기체는 깊이가 증가함에 따라 점차 더 뜨겁고 밀도가 높아진다.[81][82]

헬륨과 네온의 비와 같은 방울들이 아래쪽 대기를 통해 아래로 떨어져 상층 대기에서 이러한 원소들의 풍부함을 감소시킨다.[52][83] 계산에 따르면 헬륨 방울은 목성 반지름 60000km (구름 꼭대기 아래 11000km)에서 금속성 수소로부터 분리되어 50000km (구름 아래 22000km)에서 다시 합쳐진다.[84] 다이아몬드 강수 현상도 발생할 수 있다는 제안이 있다.[86]

목성 내부의 온도와 압력은 안쪽으로 갈수록 꾸준히 증가한다.[53] 대기압 수준이 1bar인 표면 깊이에서 온도는 약 이다. 초임계 수소가 분자 유체에서 금속 유체로 변하는 영역은 에서 의 압력 범위와 에서 의 온도 범위에 걸쳐 있다. 목성의 희석된 핵의 온도는 약 40e6bar의 압력에서 로 추정된다.[87]

3. 1. 크기 및 질량

목성은 주로 기체 및 액체 물질로 이루어져 있다. 목성의 직경은 적도에서 142984km이다. 밀도는 1.326 g/cm3으로, 태양계의 거대행성 중에서 두 번째로 크지만 지구형 행성의 밀도보다는 낮다.

목성의 질량은 태양계의 다른 모든 행성을 합한 질량의 2.5배이다.[241] 태양계 전체 중심에 대한 기여는 목성이 49%이다. 지구와 비교하면 질량은 318배, 지름은 11배, 부피는 1,321배 정도이다.[244][257] 반지름은 태양의 1/10, 질량은 태양의 1/1000이다.[58][59] 목성 질량(MJ 또는 MJup)은 태양계 외행성이나 갈색왜성 등의 천체 질량을 표시하는 단위로도 사용된다. (예: 오시리스 0.69MJ, CoRoT-7b 0.015MJ)[260]

이론 모델에 따르면, 목성의 질량이 현재보다 더 컸다면 중력 증가로 인해 오히려 더 작았을 것이다.[261] 지구 질량의 500배(목성 질량의 1.6배) 정도였다면,[261] 중력 증가로 목성 내부 밀도가 높아져 부피가 감소했을 것이다. 질량 증가에 따른 반지름 수축은 목성의 50배 정도 무거운 갈색왜성 영역까지 이어진다.[262]

목성이 항성이 되려면 현재의 75~80배[263] 질량이 필요하지만, 반지름이 30% 정도 크다면 적색왜성이 될 수 있었다.[264][265]

목성은 태양 복사열보다 더 많은 열을 방출한다. 목성 표면 온도는 125K로, 태양광 에너지로 계산되는 온도(102K)보다 높다.[263] 이는 목성 내부 열 때문이며, 태양 에너지와 맞먹는다.[266] 이 열은 켈빈-헬름홀츠 과정이라는 단열 과정에서 발생하며, 목성은 매년 2cm씩 줄어든다.[267] 탄생 당시 목성은 현재의 2배 크기였을 것이다.[268]

3. 2. 내부 구조

목성은 주로 기체 및 액체 물질로 이루어져 있으며, 여러 원소들이 혼합된 고밀도의 핵과 그 주변의 액상 금속성 수소층, 대부분 수소 분자로 구성된 외곽층으로 이루어진 것으로 여겨진다. 그러나 이에 대한 상세한 내용은 아직까지도 불확실성이 크다.

1997년, 여러 중력측량을 통해 핵의 존재가 주장되었는데, 그 질량은 지구 질량의 12~45배, 또는 목성 총질량의 대략 4~14%에 해당한다. 행성 형성 모형에서도 원시태양 성운으로부터 대량의 수소와 헬륨을 끌어모을 정도로 무거운 암석형 또는 얼음형 핵의 형성이 필요하다고 제시된다. 핵이 존재한다면, 용융 상태의 핵은 금속성 수소의 대류로 인해 수축하며 행성 내부에서 높은 수준의 구조를 지니게 된다. 그러나 현재 기술로는 핵의 존재를 확실히 밝혀내기 어렵다.

핵 영역은 밀한 금속성 수소로 둘러싸여 있는데, 이 층은 목성 반지름의 약 78%까지 뻗어 있다. 이 층을 통해 헬륨 및 네온 액적이 쏟아지면서 상층부 대기에서 이러한 원소의 양이 감소하였을 것이다.

금속성 수소층 위에는 수소로 이루어진 투명한 안쪽 대기가 존재한다. 이 깊이에서는 액체 및 기체의 상을 구별할 수 없어, 수소는 초임계 유체 상태에 있다고 일컫는다. 수소는 상층부에서는 기체로, 그보다 아래에 있는 층에서는 액체로 취급되지만, 물리적으로 명확한 경계는 없다.

목성 내부의 온도와 압력은 켈빈-헬름홀츠 기작으로 인해 핵쪽으로 급격하게 증가한다. 10바 수준의 "표면" 압력에서 온도는 약 340K이며, 상전이 영역의 온도는 10,000K, 압력은 200GPa로 추정된다. 핵 경계에서는 온도 36,000K, 압력 3,000~4,500GPa로 추정된다.

2016년 7월에 목성에 도달할 예정이었던 주노 탐사선은 핵에 관한 더 나은 모형을 위해 이러한 변수들의 값을 정밀하게 제한할 것으로 기대되었다.

3. 3. 대기

목성은 태양계에서 가장 큰 행성 대기를 가지고 있으며, 그 고도는 5,000km 이상이다. 명확한 지표면이 없기 때문에, 대기압이 1 MPa (10 바)인 지점을 대기의 시작점으로 간주하는데, 이는 지구 표면 압력의 10배에 해당한다.

목성 대기는 주로 분자 수소와 헬륨으로 구성되며, 부피로는 상층 대기가 수소 약 90%, 헬륨 약 10%를 차지한다. 질량으로는 대략 수소 76%, 헬륨 24%로 구성되어 헬륨의 비율이 낮은데, 이는 헬륨 원자가 수소 분자보다 무겁기 때문이다.[44] 이 외에도 메테인, 암모니아, 수증기 등 다양한 화합물이 미량 포함되어 있다.[46] 가장 바깥층에는 얼어붙은 암모니아 결정이 존재한다.[47] 행성 내부는 밀도가 더 높아 질량 기준으로 수소 71%, 헬륨 24%, 기타 원소 5%로 구성되어 있다.[48][49]

수소와 헬륨의 비율은 원시 태양계 성운의 이론적 구성과 유사하다.[50] 그러나 상층 대기의 네온은 질량으로 백만분의 20에 불과하여 태양보다 10분의 1 수준이다.[51] 목성의 헬륨 풍부도는 헬륨이 행성 내부 깊은 곳에서 액체 방울 형태로 강수되는 과정 때문에 태양의 약 80% 수준이다.[52][53]

분광법에 따르면, 토성은 목성과 조성이 유사하지만, 천왕성과 해왕성은 수소와 헬륨이 상대적으로 적고, 산소, 탄소, 질소, 황 등 다른 흔한 원소들이 더 많다.[54] 이들 행성은 생성 과정에서 해당 원소들이 얼음 형태로 포함되었을 것으로 추정되어 얼음 행성으로 불리지만, 실제로는 얼음이 매우 적을 가능성이 높다.[55]

보이저 1호가 촬영한 영상을 보면, 목성의 역회전하는 구름 띠들의 운동을 확인할 수 있다.

3. 3. 1. 구름층

목성은 암모니아 결정 및 황화수소암모늄으로 구성된 구름에 영구적으로 뒤덮여 있다. 이 구름들은 대류권계면에 위치해 있으며 열대 지역으로 알려진 서로 다른 위도에 있는 띠들에 따라 배열된다. 이들은 밝은 색조의 대(''zone'')와 어두운 색조의 띠(''belt'')로 나뉜다. 이들의 충돌 순환 패턴의 상호작용으로 폭풍과 난류가 유발된다. 국지 제트(zonal jet)에서는 100m/s의 바람이 흔하게 발생한다.[89] 대는 폭과 색깔, 색의 강도가 해마다 변하는 것으로 관측되어 왔는데, 과학자들이 이를 확인하기에 충분할 정도로 안정적으로 남아있다.[57]

구름층은 약 50km의 두께를 가지며, 두껍고 낮은 층과 얇고 깔끔한 영역, 최소한 두 개의 구름층으로 이루어져 있다. 또한 암모니아층 아래에는 얇은 H2O 구름층이 있을 것으로 여겨지는데, 목성의 대기에서 감지된 번개의 섬광을 통해 추측된 것이다. 번개가 발생하기 위해서는 물의 극성으로 인해 전하 분리가 일어나야 하기 때문이다.[90] 이들의 방전은 지구에서 발생하는 번개의 수천 배에 이를 정도로 강력하다.[91] 물구름은 내부에서 가열된 열을 통해 뇌우를 일으킬 수 있다.[92] 주노 탐사선은 대기 상층부의 비교적 높은 곳에서 암모니아-물 구름에서 발생하는 "얕은 번개"의 존재를 밝혀냈다.[93] 이러한 방전은 얼음으로 덮인 물-암모니아 슬러시의 "머시볼"을 운반하며, 대기 깊숙이 떨어진다.[94] 목성의 상층 대기에서는 1.4 지속되는 밝은 섬광인 상층 대기 번개가 관측되었다. 이것들은 "요정" 또는 "스프라이트"로 알려져 있으며, 수소 때문에 파란색이나 분홍색으로 보인다.[95][96]

목성 구름의 주황색과 갈색은 용승하는 화합물에 의해 발생하며, 태양의 자외선에 노출되면 색이 변한다. 정확한 구성은 불확실하지만, 인, 황 또는 탄화수소로 구성된 것으로 생각된다.[67][97] 발색단으로 알려진 이러한 다채로운 화합물은 하층의 더 따뜻한 구름과 섞인다. 밝은 색의 구역은 상승하는 대류 세포가 발색단을 가리는 결정화된 암모니아를 형성할 때 형성된다.[98]

목성은 자전축 기울기가 낮아 극지방은 항상 행성의 적도 지역보다 태양 복사를 덜 받는다. 행성 내부의 대류는 에너지를 극지방으로 운반하여 구름층의 온도를 균형 있게 유지한다.[57]

3. 3. 2. 대적점과 그 외 소용돌이

목성의 가장 잘 알려진 특징은 대적점으로, 적도 남쪽 22°에 위치한 지속적인 고기압성 폭풍이다.[99] 이 폭풍은 1831년에 처음 관측되었으며,[100] 1665년에도 관측되었을 가능성이 있다.[101][102] 허블 우주 망원경은 대적점에 인접한 두 개의 더 작은 "붉은 점"을 보여주기도 했다.[103][104] 대적점은 12cm 이상 구경의 지상 망원경으로 관측 가능하다.[105]

대적점은 시계 반대 방향으로 회전하며, 약 6일의 주기를 갖는다.[106] 이 폭풍의 최대 고도는 주변 구름 꼭대기보다 약 8km 높다.[107] 대적점의 구성과 붉은색의 원인은 여전히 불확실하지만, 아세틸렌과 반응하는 광해리된 암모니아가 그럴듯한 설명이다.[108]

대적점은 지구보다 크다.[109] 수학적 모델은 이 폭풍이 안정적이며 행성의 영구적인 특징이 될 것이라고 제시한다.[110] 그러나 발견 이후 크기가 상당히 줄어들었다. 1800년대 후반의 초기 관측에 따르면 약 약 41038.17km에 달했다. 2015년 기준으로 이 폭풍은 약 로 측정되었으며,[111] 연간 약 약 933.42km 정도 길이가 줄어들고 있다.[109] 2021년 10월, 주노 탐사선의 근접 비행 임무에서 대적점의 깊이를 측정한 결과 약 인 것으로 나타났다.[112]

2000년에 대적점과 비슷하지만 크기가 더 작은 대기 현상이 남반구에서 형성되었다. 이것은 더 작은 흰 타원형 폭풍이 합쳐져 하나의 특징을 형성했을 때 만들어졌는데, 이 세 개의 더 작은 흰 타원은 1939년에서 1940년 사이에 형성되었다. 합쳐진 특징은 BA 타원이라고 명명되었다. 그 이후로 강도가 증가하고 흰색에서 붉은색으로 변하면서 "작은 붉은 점"이라는 별명을 얻었다.[115][116]

세 개의 흰 타원에서 BA 타원의 형성


주노 임무에서 목성의 극지방에서 여러 개의 사이클론 그룹을 발견했다. 북극 그룹은 중앙에 큰 사이클론 하나와 그 주변에 다른 8개의 사이클론으로 구성된 9개의 사이클론을 포함하고 있으며, 남극 그룹 역시 중심 소용돌이 하나를 가지고 있지만 5개의 큰 폭풍과 1개의 작은 폭풍으로 총 7개의 폭풍으로 둘러싸여 있다.[113][114]

2017년 4월, 목성의 북극 열권에서 "대냉점"이 발견되었다. 이 특징은 24000km 너비, 12000km 폭이며, 주변 물질보다 더 차갑다. 이 점은 단기간에 형태와 강도가 변하지만 15년 이상 대기 중에서 일반적인 위치를 유지해 왔다. 이것은 대적점과 유사한 거대한 소용돌이일 수 있으며, 지구 열권의 와동과 마찬가지로 준안정 상태인 것으로 보인다. 이 특징은 이오에서 생성된 대전 입자와 목성의 강한 자기장 사이의 상호 작용으로 인해 열 흐름이 재분배되어 형성될 수 있다.[117]

3. 4. 조성

목성은 주로 기체 및 액체 물질로 이루어져 있다. 목성의 상층부 대기는 개수밀도 조성비로 약 88 ~ 92%의 수소와 8 ~ 12%의 헬륨으로 이루어져 있다.[44] 헬륨 원자가 수소 원자보다 네 배나 무겁기 때문에 질량비로 조성비를 나타내면, 목성의 대기는 약 75%의 수소와 24%의 헬륨으로 구성되며, 나머지 1%만이 다른 원소들로 이루어져 있다. 목성의 내부는 밀도가 높은 물질들로 이루어져 있는데, 그 질량의 대략 71%가 수소, 24%가 헬륨, 5%가 다른 원소들로 이루어져 있다.[48][49]

목성의 대기는 미량의 메테인, 수증기, 암모니아, 규소화합물을 포함하며, 또한 미량의 탄소, 에테인, 황화수소, 네온, 산소, 포스핀, 황 등으로 이루어져 있기도 하다. 대기의 최외곽층은 얼음 암모니아 결정을 포함한다.[47] 적외선 및 자외선 분석을 통해서는 미량의 벤젠과 탄화수소들이 발견되기도 한다.

대기의 수소 및 헬륨의 비율은 원시태양 성운의 이론적인 조성과 가깝다. 상층부 대기의 네온은 질량비로 20 ppm을 차지하는데, 이는 태양의 십분의 일정도다.[51] 헬륨 또한 태양의 헬륨 조성의 약 80% 정도로 감소하였는데, 이러한 감소는 행성 내부로 원소들이 침전된 결과이다.[52][53]

분광학에 따르면 토성은 목성의 조성과 유사할 것으로 여겨지지만, 천왕성과 해왕성은 수소와 헬륨이 상대적으로 훨씬 적다.[54]

3. 5. 자기권

목성의 자기장은 적도에서 4.2 가우스(0.42 mT), 극에서 10~14 가우스(1.0~1.4 mT)로 지구보다 14배나 강하며, 태양계에서 흑점을 제외하고 가장 강력하다. 이 자기장은 액상 금속성 수소핵 속 물질들의 소용돌이 운동으로 인한 맴돌이 전류에 의해 발생하는 것으로 여겨진다.

목성의 오로라. 세 개의 점은 세 개의 위성과 연결되는 양자화 자속(플럭손)이 만드는 오로라이며, 왼쪽이 이오, 아래 두 개는 가니메데와 유로파에 의해 발생한 것이다. 대부분의 밝은 타원형은 "주 오벌"이라고 불리며, 그 외에도 희미한 오로라의 빛도 보인다.


목성의 위성인 이오의 화산활동으로 대량의 이산화황이 방출되면서 위성의 궤도를 따라 기체 토러스가 만들어지는데, 이 기체는 목성의 자기권에서 이온화되어 황 이온과 산소 이온이 된다. 이들은 목성의 대기에서 기원한 수소 이온과 함께 목성의 적도면에 플라스마판(plasma sheet)을 형성한다. 판 속의 플라스마는 목성에 대해 반대로 회전하기 때문에 쌍극자 자기장을 자기원반의 자기장으로 변형시킨다. 플라스마판 속의 전자는 강력한 전파를 방출하여 0.6~30 MHz 범위에서 폭발을 일으킨다.

목성의 중심으로부터 약 75 목성반경 지점에서 자기권과 태양풍의 상호작용으로 활꼴 충격파가 발생한다. 목성의 자기권 주변은 자기권 외피층(자기권과 활꼴 충격파 사이의 영역)의 안쪽 가장자리에 위치해 있는 자기권계면으로 덮혀있다. 이 영역과 태양풍이 상호작용하면서 목성의 태양 반대편 자기권은 길게 늘여지게 되는데, 거의 토성의 궤도에 이를 정도로 길게 뻗는다. 목성의 가장 큰 네 위성은 모두 목성의 자기권 속을 공전하기 때문에 태양풍으로부터 안전하다.

목성의 자기권은 행성의 극지역에서 여러차례 발생하는 강렬한 전파 방출의 원인이다. 위성 이오의 화산활동으로 인해 기체가 목성의 자기권으로 분출되어 행성 주변에 입자 토러스를 형성한다. 이오가 이 토러스 속을 움직이면서 알펜파를 일으키는데, 이 때문에 이온화된 물질이 목성의 극지역으로 이송된다. 이러한 결과로 사이클로트론 메이저 기작을 통해 전파가 발생하며, 그 에너지는 원뿔형 표면을 따라 전송된다. 지구가 이 원뿔과 상호작용할 때, 목성의 전파 방출은 태양의 전파 방출량을 넘어서기도 한다.

목성의 극에는 항상 오로라가 발생하며, 그 에너지는 지구의 1,000배에 해당한다.[311] 목성 대기의 주성분은 수소 분자 H2이므로, 유입되는 하전 입자에 의해 이온화되어 H2+ 이온이 되고, 이것이 H2와 반응하여 H3+와 H가 된다. 이 H3+ 이온이 오로라를 일으킨다.[312] 또한, 자력선이 위성과 겹칠 때 발생하는 플럭스 튜브(에너지 묶음)가 극 지역과 연결된 곳에도 점상의 오로라가 발생한다.[312]

목성 방사선
위성rem/일
이오3,600[122]
유로파540[122]
가니메데8[122]
칼리스토0.01[122]
지구 (최대)0.07
지구 (평균)0.0007


4. 행성의 고리

목성은 희미한 고리를 가지고 있다. 목성의 고리는 크게 세 부분으로 나뉘는데, 안쪽의 입자 토러스인 헤일로(halo), 상대적으로 밝은 주 고리, 그리고 바깥쪽의 매우 얇은 고사머 고리이다.[123] 이 고리들은 토성의 고리에서 볼 수 있는 얼음보다는 티끌로 이루어진 것으로 보인다.[67] 주 고리는 목성의 위성인 아드라스테아와 메티스에서 방출된 물질로 이루어진 것으로 보인다. 보통 위성으로 되돌아갈 물질은 목성의 강력한 중력으로 인해 끌어당겨진다. 때문에 물질의 궤도는 목성으로 크게 틀어지게 되고 추가적인 충돌로 인해 새로운 물질이 유입된다.[124] 비슷한 방법으로, 위성인 테베와 아말테아 역시 두 개의 희미한 티끌 고리를 형성했을 것이다.[124] 또한 아말테아의 궤도와 일치하는 암석형 고리의 증거가 있는데, 이 고리는 아말테아의 충돌 부스러기를 포함하고 있을 것이다.[125]

5. 위성

목성은 현재 95개의 자연위성이 알려져 있으며,[194] 앞으로 더 많은 위성이 발견될 가능성이 있다.[195] 이 중 79개는 지름이 10km 미만이다.[4] 가장 큰 네 개의 위성은 갈릴레이 위성으로, 가니메데, 칼리스토, 이오, 유로파 순으로 크다. 이들은 맑은 밤에 쌍안경으로도 지구에서 관측할 수 있다.[196]

왼쪽부터 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토 (목성에 가까운 순서)


목성의 위성은 크게 규칙 위성과 불규칙 위성으로 나눌 수 있다.

5. 1. 갈릴레이 위성



갈릴레이 위성으로 알려져 있는 가장 큰 네 위성, 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토는 맑은 밤하늘에 쌍안경으로도 볼 수 있다.

이오, 유로파, 가니메데는 라플라스 공명이라 불리는 패턴을 이룬다. 이오가 목성을 네 번 공전할 때 유로파는 정확히 두 번, 가니메데는 한 번 공전한다. 이러한 공명으로 세 위성은 매번 공전할 때마다 동일한 지점에서 주변으로부터 추가적인 잡아당김을 받음으로써 궤도가 타원형으로 변형되는 등 중력에 의한 영향을 받는다. 반면에 목성의 기조력은 이들의 궤도를 원형으로 만드는 역할을 한다.[197]

세 위성의 궤도 이심률로 인해 위성이 목성에 접근함으로써 목성의 중력에 의한 잡아당김으로 세 위성의 형태에 일정한 굽힘이 발생하며, 위성들이 목성으로부터 멀어지면서 다시 구형에 가까운 형태로 되돌아온다. 이러한 조석 굽힘에 의한 마찰로 위성의 내부에 열이 발생하는데, 이런 현상은 세 위성 중에 가장 강한 기조력을 받는 이오의 큰 화산활동을 통해 가장 쉽게 확인할 수 있다. 또 유로파의 표면이 지질학적으로 어리다는 것(위성의 외형이 최근에 바뀌었음을 의미)을 통해서 알 수 있기도 하다.[198][199]

지구의 달과 비교한 갈릴레이 위성
명칭영어 발음직경질량궤도 반경공전 주기
km%kg%km%일%
이오 (Io)3,6431058.9×1022120421,7001101.777
유로파 (Europa)3,122904.8×102265671,0341753.5513
가니메데 (Ganymede)5,26215014.8×10222001,070,4122807.1526
칼리스토 (Callisto)4,82114010.8×10221501,882,70949016.6961


5. 2. 위성 분류

목성은 95개의 자연위성을 가지고 있으며, 이들은 궤도 요소의 유사성을 기준으로 여러 군으로 분류된다.[200] 1975년 이후 발견된 53개의 위성은 지름이 10km 미만이다.

보이저 임무 이전에는 궤도 요소를 기준으로 네 그룹으로 분류되었으나, 이후 많은 위성들이 발견되면서 분류가 복잡해졌다. 현재는 여섯 개의 큰 분류군이 존재하며, 일부 위성들은 이들과 별개의 특성을 지닌다.

크게 규칙 위성과 불규칙 위성으로 나눌 수 있다.

규칙 위성
내위성군네 개의 작은 위성으로 구성되며, 지름 200km 미만, 궤도 반경 200,000km 이내, 궤도 경사각 0.5도 이내에서 목성을 공전한다. 목성과 함께 생성된 것으로 추정된다.
갈릴레이 위성[205]갈릴레오 갈릴레이와 시몬 마리우스가 동시에 발견한 네 개의 위성이다. 목성에서 400,000~2,000,000km 거리에서 공전하며, 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토가 해당된다. 이들은 태양계에서 가장 큰 위성들에 속한다.
불규칙 위성
테미스토갈릴레이 위성과 히말리아 위성군 중간 지점에서 공전한다.
히말리아 위성군목성에서 11,000,000~12,000,000km 거리에서 빽빽하게 군집을 이루며 공전한다.
카르포아난케 위성군 안쪽 가장자리에 있으며, 순행 공전을 한다.
아난케 위성군경계가 불분명한 역행 공전 위성군으로, 목성에서 평균 21,276,000km, 궤도 경사각 평균 149도로 공전한다.
카르메 위성군명확한 역행 위성군으로, 목성에서 평균 23,404,000km, 궤도 경사각 평균 165도로 공전한다.
파시페 위성군분산된 형태의 역행 위성군으로, 최외곽 위성들을 포함한다.



불규칙 위성은 목성의 적도면에 대해 크게 기울어지고 타원형 궤도를 가진 작은 위성들이다. 이들은 목성에 포획된 소행성이거나 그 잔해로 추정되며, 유사한 궤도 요소를 가진 집단은 큰 위성이나 포획된 천체가 파괴되면서 만들어졌을 가능성이 있다.[202][203]

6. 태양계와의 상호작용

목성의 중력은 태양계 형성 과정에 큰 영향을 미쳤다. 수성을 제외한 대부분 행성 궤도가 태양 적도면보다 목성 궤도면에 가깝고, 소행성대의 커크우드 간극도 목성 때문에 발생했으며, 후기 대폭격의 원인으로도 추정된다.[208]

주 소행성대와 목성 궤도상의 트로이군을 보여주는 그림.


목성은 수많은 소행성을 라그랑주점 영역으로 이주시켜 트로이군을 형성했다. 트로이군은 일리아드에 등장하는 것처럼 그리스 측과 트로이 측으로 나뉘며, 1906년 막스 볼프가 588 아킬레스를 처음 발견한 이후 2000개 이상 발견되었다.[210] 가장 큰 트로이 소행성은 624 헥토르이다.[211]

단주기 혜성 대다수는 목성보다 작은 긴반지름을 가진 목성족 혜성에 속한다. 이들은 카이퍼대에서 기원하여 목성과의 접근을 통해 섭동을 받아 공전 주기가 짧아지고 원형 궤도를 갖게 된 것으로 추정된다.[212]

1993년에 쿠시다 요시오와 무라마츠 오사무가 발견한 쿠시다-무라마츠 혜성은 1949년에 목성의 중력권에 포획되었다가 1961년에 탈출했을 가능성이 제기되고 있다. 또한 헬린-로만-크로켓 혜성은 2068년부터 2986년 사이에 목성 주위를 6회 공전할 것으로 예상된다.[330]

6. 1. 충돌

목성은 태양계에서 가장 많은 혜성 충돌을 겪는 행성으로, '태양계의 진공 청소기'라고 불린다. 이는 목성의 거대한 중력 우물과 태양계 안쪽 근처에 위치하기 때문이다. 과거에는 목성이 혜성으로부터 안쪽 태양계를 보호한다고 여겨졌지만, 최근 연구에 따르면 목성이 끌어당기는 혜성과 방출하는 혜성의 수가 거의 같아, 혜성 수를 줄이는 데 큰 영향을 주지 않는다는 주장도 있다. 이 문제는 과학자들 사이에서 논란이 되고 있으며, 목성이 카이퍼대에서 혜성을 끌어당긴다는 주장과 오르트 구름으로부터 지구를 보호한다는 주장이 대립한다. 목성은 지구보다 소행성 및 혜성 충돌을 200배나 더 겪는다.

1690년 지오반니 카시니가 목성에서 충돌 자국을 기록했을 가능성이 제기되었으며, 1979년 3월 보이저 1호는 목성에서 화구를 촬영했다. 1994년 7월에는 슈메이커-레비 9 혜성의 파편들이 목성 남반구와 충돌하여, 두 태양계 천체의 충돌이 처음으로 관측되었다.

목성에 나타난 슈메이커-레비 9 혜성의 충돌 흔적


2009년 7월에는 충돌 자국이 발견되었고, 이 충돌로 오벌 BA 크기의 검은 점이 생겼다. 2010년 6월에는 화구가 발견되었고, 같은 해 8월에도 화구가 관측되었다. 2012년 9월과 2016년 3월에도 충돌이 관측되었다.

5000

7. 연구 및 탐사

1973년 파이오니어 10호를 시작으로 여러 무인 우주 탐사선들이 목성을 방문했다. 파이오니어 10호는 목성에 가까이 접근하여 이 거대한 행성의 특성과 현상에 대한 상세한 정보를 제공한 최초의 탐사선이다. 지구에서 목성까지 우주 비행을 하려면 상당한 양의 에너지, 즉 델타 v가 필요하다. 지구 저궤도에서 목성까지 호만 전이 궤도로 비행하는 데는 6.3km/s의 델타 v가 필요하다. 이는 상당한 양이지만, 다행히 행성의 플라이바이를 이용한 중력도움을 통해 목성에 도달하는 데 필요한 에너지를 줄일 수 있다.

목성에 대한 플라이바이 계획
탐사선최근접 일시거리
파이오니어 10호1973년 12월 3일130000km
파이오니어 11호1974년 12월 4일34000km
보이저 1호1979년 3월 5일349000km
보이저 2호1979년 7월 9일570000km
율리시스1992년 2월 8일[379]408894km
2004년 2월 4일[379]1.2억km
카시니2000년 12월 30일1000만km
뉴 허라이즌스2007년 2월 28일2304535km



보이저 계획을 통해 갈릴레이 위성에 대한 지식이 넓어졌고, 목성의 고리가 발견되었다.[241] 또한, 대적점이 고기압성 현상임을 확인했고, 파이오니어 계획과 비교하여 대적점의 색깔 변화도 관찰했다.

갈릴레오는 목성을 공전한 유일한 탐사선으로, 1995년부터 7년 이상 목성 주위를 돌며 갈릴레이 위성과 아말테아에 대한 여러 번의 플라이바이를 수행했다. 1994년에는 슈메이커-레비 9 혜성의 목성 충돌을 관측하기도 했다.

미국항공우주국(NASA)의 주노 탐사선은 2016년 목성에 도착하여[388] 극궤도를 통해 목성을 자세히 관측하고 있다.[387]

유럽 우주국의 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE)은 2022년 발사될 예정이며, 2025년에는 NASA의 유로파 클리퍼 임무가 계획되어 있다.

7. 1. 망원경 발명 이전의 연구

『알마게스트』에서 제시된 지구(⊕)에 대한 목성(♃)의 상대적 위치와 움직임


목성에 대한 최초의 관측 기록은 기원전 7~8세기경 바빌로니아의 천문학자들이 작성한 것이다. 고대 중국에서는 목성을 세성(歲星, ''Sui-xing'')이라 불렀다. 기원전 4세기경, 중국 천문학자들은 황도를 12개 영역으로 나누었고, 목성은 매년 한 영역을 통과했다. 중국의 역사학자 시저쭝(席澤宗)은 감덕(甘德)이 기원전 362년경 목성의 위성 중 하나를 육안으로 발견했다고 주장했다. 만약 이것이 사실이라면, 갈릴레오보다 약 2,000년이나 앞서 위성을 발견한 것이 된다.

2세기경 헬레니즘 시대의 천문학자 클라우디오스 프톨레마이오스는 자신의 저서 ''알마게스트''에서 천동설에 기반하여 지구에 대한 목성의 운동을 설명하고, 목성의 공전 주기를 약 4332.38일(11.86년)로 계산했다. 499년, 인도의 수학자이자 천문학자인 아리아바타 역시 천동설을 이용하여 목성의 공전 주기를 계산했다.

7. 2. 지상 망원경을 이용한 연구

1610년, 갈릴레오 갈릴레이는 망원경을 이용하여 목성의 가장 큰 네 위성(갈릴레이 위성)을 발견하였다. 이는 지구 외 다른 행성의 위성에 대한 최초의 망원경 관측으로 여겨진다. 갈릴레오의 발견 이후 시몬 마리우스가 별개로 목성 주변의 위성을 발견하였으나, 그의 발견은 1614년 저서에 기록되기 전까지 발표되지 않았다. 그러나 마리우스가 붙인 네 위성의 명칭, 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토는 오늘날까지 사용되고 있다. 이 발견은 겉보기에 지구를 중심으로 하지 않는 천구운동에 관한 첫 발견이기도 하다. 이러한 발견은 행성의 운동에 관한 코페르니쿠스의 태양중심설이 지지받기 시작하는 중요한 시점이었다. 이러한 코페르니쿠스 이론의 지지로 갈릴레오는 종교재판의 위협에 처했었다.

1660년대에는 카시니가 새로운 망원경을 이용하여 목성의 점들과 다채로운 띠를 발견하였으며, 목성이 편구 모양, 즉 극 부분이 평평한 것처럼 보인다는 것을 관측하였다. 또 그는 목성의 자전 주기를 측정할 수 있기도 하였다. 카시니는 1690년에 목성의 대기가 차등회전을 겪고 있다는 것을 기록하였다.

목성의 남반구에 있는 뚜렷한 타원형의 대적점은 1664년 로버트 훅과 1665년 카시니의 관측 이후부터 관측되어 왔다고 주장되지만, 논란이 있다. 약사였던 하인리히 슈바베는 1831년에 대적점의 상세한 모습을 최초로 그림으로 기록하였다.

1665년과 1708년 사이의 여러 관측에 따르면 적점을 찾을 수 없었다고 한다. 이후 1878년에 크게 뚜렷해졌으나, 1883년과 20세기 초에 다시 희미해졌었다.

보렐리와 카시니는 목성의 위성이 목성의 앞뒤를 언제 통과하는지 예측할 수 있도록, 목성의 위성들의 운동에 관해 정밀한 표를 작성하였다. 1670년대에는 목성이 지구에 대해 태양 반대편 위치에 있을 때 목성의 위성들이 목성의 앞뒤를 통과하는 시기가 예측된 것보다 약 17분이나 늦게 발생한 것이 관측되었다. 올레 뢰머는 이를 통해 관찰이 즉각적이지 않음을 추론하였고(카시니는 처음에 이에 대해 동의하지 않았다), 그 시간차를 이용해서 빛의 속도를 측정하였다.

1892년, E. E. 바너드는 캘리포니아의 릭 천문대의 910mm 굴절망원경을 통해 목성의 다섯번째 위성을 발견하였다. 이 위성은 후에 아말테아라 이름 붙여졌다. 아말테아는 안시관측을 통해 직접적으로 발견된 마지막 위성이었다.

ESO의 초거대 망원경(VLT)이 촬영한 목성의 적외선 사진.


1932년에는 루퍼트 빌트는 목성의 스펙트럼에서 암모니아와 메탄의 흡수선을 발견하였다.

1938년에는 백색 폭풍(''white oval'')이라 불리는 세 개의 고기압성 폭풍이 관측되었다. 이들은 수십년 동안 서로 접근하기도 하였으나 병합은 하지 않으면서, 대기상에서 별개의 현상으로 존재했었다. 그러나 1998년에 두 개의 폭풍이 병합하였고, 2000년에는 남은 하나가 흡수되면서 최종적으로 하나의 더 큰 폭풍, 오벌 BA가 되었다.

아마추어 망원경으로 본 목성과 갈릴레이 위성 4개

7. 3. 전파망원경을 이용한 연구

1955년, 버나드 버크와 케네스 프랭클린은 22.2 MHz 대역에서 목성에서 오는 전파 폭발 신호를 탐지하였다. 이 폭발의 주기는 목성의 자전주기와 일치하였는데, 이들은 그러한 정보를 통해 목성의 자전속도를 개선할 수 있었다. 목성에서 발생한 전파폭발은 수 초 정도까지 지속되는 긴 폭발(L-burst)과 밀리초 이하로 지속되는 짧은 폭발(S-burst)의 두가지 형태로 나뉜다.

과학자들은 목성에서 발신된 전파신호가 세가지 유형으로 나뉜다는 것을 발견하였다.

  • 데카미터(십 미터 단위의 파장) 전파폭발은 목성의 자전에 따라 변화하며, 목성의 자기장과의 상호작용에 영향을 받는다.
  • 데시미터(센티미터 파장) 전파 방출은 1959년 프랭크 드레이크와 하인 흐배텀(Hein Hvatum)이 처음으로 관측하였다. 이 신호는 목성의 적도 주변의 토러스 형태의 띠에서 발생하는데, 목성의 자기장에 가속된 전자의 사이클로트론 복사이다.
  • 열복사는 목성의 대기의 열로 인해 발생한다.

7. 4. 우주 탐사선을 통한 탐사

1973년 파이오니어 10호를 시작으로 여러 무인 우주 탐사선들이 목성을 탐사하기 시작했다.[164][165] 지구에서 목성까지 가기 위해서는 상당한 양의 델타-v가 필요하지만, 다행히 행성의 플라이바이를 이용한 중력 도움을 통해 필요한 에너지를 줄일 수 있다.[168]

목성 탐사는 현재도 진행 중이다. 2011년 발사된 미국항공우주국(NASA)의 주노 탐사선은 2016년 목성에 도착하여[388] 극궤도를 통해 목성을 상세하게 관측하고 있다.[387]

주노가 촬영한 목성의 북극과 주변을 둘러싼 사이클론들

7. 4. 1. 플라이바이 임무

1973년부터 여러 대의 무인 우주선이 목성을 방문했다. 특히 파이오니어 10호는 목성에 접근하여 많은 발견을 한 것으로 알려져 있다.[372][373] 다른 행성에 도달하기 위해서는 탐사선의 속도 변화, 즉 델타v를 일으키는 데 필요한 에너지가 중요하다. 호만 전이 궤도를 통해 지구에서 목성의 저궤도에 이르려면 델타v는 6.3km/s가 필요하며,[374] 지구에서 발사하는 데 필요한 델타v 9.7km/s와의 차이를 메워야 했다.[375] 이는 시간이 오래 걸리지만, 행성 근접 비행을 이용한 스윙바이를 통해 단축할 수 있다.[376]

목성에 대한 플라이바이 계획
탐사선최근접 일시거리
파이오니어 10호1973년 12월 3일130000km
파이오니어 11호1974년 12월 4일34000km
보이저 1호1979년 3월 5일349000km
보이저 2호1979년 7월 9일570000km
율리시스1992년 2월 8일[379]408894km
2004년 2월 4일[379]1.2억km
카시니2000년 12월 30일1000만km
뉴 허라이즌스2007년 2월 28일2304535km



1973년부터 여러 탐사선이 플라이바이 항행법을 이용하여 목성을 관측했다. 파이오니어 계획에서는 처음으로 목성과 몇몇 위성의 근접 사진을 촬영했다. 행성 근처의 고유 자기장은 예상보다 매우 강했지만, 탐사선에 치명적인 문제는 발생하지 않았다. 이러한 탐사선 궤도는 목성계 질량의 예상 정확도를 높이는 데 기여했다. 또한, 탐사선의 무선 신호가 행성에 의해 차폐됨으로써 목성의 지름과 극 방향의 편평도에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있었다.[257][377]

6년 후에 수행된 보이저 계획에서는 갈릴레이 위성에 대한 지식이 깊어졌고, 목성의 고리가 발견되었다.[241] 대적점이 고기압성 현상이라는 것도 알려졌고, 파이오니어 계획과의 이미지 비교를 통해 대적점의 색깔이 주황색에서 어두운 갈색으로 변한 것도 밝혀졌다. 위성 이오 궤도에서 이온화 원자의 고리가 발견되었고, 표면에서는 분화 중인 화산 활동도 확인되었다. 탐사선이 행성의 밤 쪽을 통과할 때 번개의 빛도 관측되었다.[378][257]

다음으로 목성을 통과하는 플라이바이는 태양 관측 위성 율리시스가 수행했다. 율리시스는 태양 극 궤도 비행을 위해 플라이바이를 이용했으며, 목성을 통과하는 동안 자기권에 대한 정보를 얻었다. 그러나 카메라가 탑재되지 않아 사진은 촬영되지 않았다. 율리시스는 6년 후 두 번째 플라이바이를 수행했지만, 목성에서 멀리 떨어진 곳에서 이루어졌다.[379]

2000년, 카시니 탐사선은 토성으로 향하던 중 목성을 지나면서 높은 해상도의 사진을 촬영했다. 2000년 12월 19일에는 위성 히말리아를 촬영했지만, 해상도가 낮아 표면 상태를 자세히 알기는 어려웠다.[380]

뉴 허라이즌스 탐사선은 명왕성으로 향하던 중 목성의 중력 도움을 받기 위해 플라이바이를 수행, 2007년 2월 28일에 가장 가까이 접근했다.[381] 뉴 허라이즌스의 카메라는 위성 이오의 화산 플라스마를 측정하고, 다른 갈릴레이 위성들에 대한 상세한 관측과 함께 히말리아, 엘라라에 대한 장기간 관측도 수행했다.[382] 목성계의 이미지 촬영은 2006년 9월 4일부터 시작되었다.[383][384]

7. 4. 2. 갈릴레오 임무

갈릴레오 궤도 탐사선은 지금까지 목성을 공전한 유일한 우주 탐사선이다. 갈릴레오 호는 1995년 12월 7일부터 목성 주변을 공전하기 시작했다. 7년 이상 목성을 공전하면서 모든 갈릴레이 위성과 아말테아에 대한 여러 번의 플라이바이를 수행했다. 또한 탐사선은 1994년에 슈메이커-레비 9 혜성이 목성에 접근하여 충돌하는 모습을 관찰하기 매우 좋은 위치에서 목격하기도 하였다. 고성능 전파 수신 안테나의 전개 실패로 원래 계획된 탐사 능력에 제한을 받았지만, 갈릴레오 호로부터 얻은 목성계에 관한 정보는 광범위했다.

1995년 7월에는 질량 340 kg의 티타늄제 대기 탐사선이 우주선으로부터 사출되어, 당해 12월 7일에 목성의 대기에 진입하였다. 탐사선은 대기 진입 후 150km를 약 2575km/h의 속력으로 낙하하였으며 57.6분 동안 자료를 수집하다가 섭씨 153도, 23 기압의 압력에서 파괴되었다. 그 후 잔해는 녹아내려 아마 기화하였을 것이다. 갈릴레오 궤도 탐사선 역시 생물이 존재할 가능성이 있을지도 모르는 위성인 유로파와 충돌하여 오염시킬 가능성을 피하기 위해, 2003년 9월 21일에 목성으로 방향을 돌려 50km/s 이상의 속력으로 대기 탐사선과 동일한 운명을 맞이하였다.

갈릴레오 임무로 얻은 자료로 수소가 목성 대기의 90%까지 차지한다는 사실이 밝혀졌다. 탐사선이 증발하기 전까지 기록된 온도 자료는 섭씨 300도 이상이었으며 풍속은 644km/h 이상으로 측정되었다.

7. 4. 3. 주노 임무

미국항공우주국(NASA)의 주노 탐사선이 2016년 7월 4일에 목성에 도달하였다. 이후 극궤도로 돌면서 목성을 상세하게 탐사하고 있다.[387] [388]

7. 4. 4. 이후의 탐사선

유럽 우주국의 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE)이 2022년에 발사될 예정이며, 2025년에는 NASA의 유로파 클리퍼 임무가 계획되어 있다.

현재 진행 중인 탐사로는 2011년 미국항공우주국(NASA)이 발사한 주노(Juno) 탐사선이 있으며, 극궤도를 통해 목성을 상세하게 관측하고 있다.[387] 이 탐사선은 2016년에 목성에 도착하여 현재 관측 중이다.[388]

목성의 위성인 유로파, 가니메데, 칼리스토는 표면 얼음 아래에 액체 바다가 있을 것으로 추측되어 많은 관심을 받고 있다. NASA는 목성 빙하 위성 궤도선(JIMO)을 검토했으나, 2005년 자금 문제로 중단되었다.[389] 유럽에서도 유로파 탐사(Jovian Europa Orbiter) 계획을 검토했지만, 2007년에 취소되었다.[390]

EJSM(유로파-주피터 시스템 미션)은 미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)이 공동으로 진행하고 있으며, 목성과 위성 관측을 목적으로 한다. 2009년 2월에는 이 미션이 토성계 탐사인 타이탄-사턴 시스템 미션보다 먼저 진행될 것이라고 발표되었다.[391][392] 그러나 ESA의 부담이 다른 프로젝트에 영향을 줄 수 있다는 우려도 있다.[393] 이 계획은 NASA의 JIMO와 ESA의 목성-가니메데 궤도선(Jupiter Ganymede Orbiter)을 중심으로 2020년경에 실행될 것으로 예상된다.[394]

7. 4. 5. 취소된 임무

목성의 위성인 유로파, 가니메데, 칼리스토 표면 아래에 액체 바다가 존재할 가능성 때문에 얼음 위성에 관한 상세한 연구가 큰 관심을 끌어왔다. 그러나 자금 조달의 어려움으로 인해 그러한 계획은 계속 지연되어 왔다. 2005년에는 NASA의 목성 얼음 위성 탐사선(JIMO) 계획이 취소되기까지 하였다. 이후에는 NASA와 ESA가 협력하는 방식으로 EJSM/라플라스 공동 임무가 계획되어 대략 2020년쯤에 실행될 예정이었다. EJSM/라플라스 임무는 NASA가 주도하는 목성 유로파 궤도선과 ESA가 주도하는 목성 가니메데 궤도선으로 구성되어 있었다. 그러나 2011년 4월에 ESA가 공식적으로 NASA와 예산 및 주제를 공유하는 파트너십을 종료하면서 임무는 무산되고 예정표만 남게 되었다. 대신 ESA는 이를 골자로 L1 코즈믹 비전을 완수하기 위해 유럽만의 임무를 추진할 계획이다.

  • 파이오니어 H(Pioneer H) - 11호 다음으로 발사될 예정이었으나, 1974년에 취소되었다.
  • 유로파 오비터 - 유로파의 바다를 연구하기 위해 계획된 탐사선. 2002년 또는 2003년에 발사될 예정이었다.

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