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목성 탐사

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목차

1. 개요

목성 탐사는 지구에서 목성으로의 탐사 활동을 의미하며, 기술적 난제와 탐사선이 겪는 어려움이 존재한다. 목성으로의 이동에는 높은 에너지 소모와 강력한 자기권으로 인한 방사선 문제가 따르며, 탐사선은 이러한 환경에서 오작동을 겪기도 한다.

1970년대부터 시작된 목성 탐사는 다양한 탐사선을 통해 이루어졌다. 파이어니어, 보이저, 율리시스, 카시니, 뉴 허라이즌스 등의 탐사선은 목성 및 위성에 대한 근접 관측을 수행하여 고리, 대기, 위성 표면 등의 정보를 수집했다. 갈릴레오 탐사선은 목성 궤도에 진입하여 슈메이커-레비 9 혜성 충돌 관측, 대기 탐사, 위성 탐사 등 다양한 과학적 성과를 거두었으며, 현재 주노 탐사선이 목성을 탐사하고 있다.

유럽 우주국의 JUICE 탐사선과 NASA의 유로파 클리퍼 탐사선이 계획 중에 있으며, 과거에는 EJSM, 유로파 궤도선, JIMO 등의 계획이 취소되었다. 유인 탐사의 경우, 방사선 문제와 중력의 어려움으로 인해 칼리스토가 가장 유망한 후보로 꼽히며, 유로파의 지하 바다를 탐사하려는 시도도 있었다.

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목성 탐사
목성 탐사
목성과 그 위성들
목성과 그 위성들
개요
목적목성계의 특징을 더 잘 이해하는 것
탐사 대상목성
목성의 위성
주요 탐사 임무
완료된 임무파이오니어 10호
파이오니어 11호
보이저 1호
보이저 2호
율리시스
카시니-하위헌스
뉴 허라이즌스
갈릴레오
주노
진행 중인 임무없음
계획된 임무JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer)
유로파 클리퍼
성간 탐사선 (Interstellar Express) (중국)
JUICE (목성 얼음 위성 탐사선)
목적목성의 얼음 위성 (주로 가니메데, 칼리스토, 유로파) 탐사
발사 예정2023년 4월 (성공적으로 발사됨)
도착 예정2031년
주요 목표얼음 위성의 해양 특성 조사
거주 가능성 평가
추가 정보ESA 주도
유로파 클리퍼
목적유로파의 거주 가능성 평가
발사 예정2024년 10월
도착 예정2030년
주요 목표유로파의 표면 및 지하 해양 조사
잠재적 생명체 탐색
추가 정보NASA 주도
성간 탐사선 (Interstellar Express)
목적태양권 경계 및 국부 성간 매질 연구
발사 예정2024년 (예상)
탐사 목표목성
토성
추가 정보CNSA 주도 (미국 협력 가능성 존재)
과거 제안되었던 임무
러시아 가니메데 착륙선(취소됨)
JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter)(취소됨)
잠재적인 미래 임무
ISRO의 목성 궤도선 임무ISRO에서 계획 중
구체적인 세부 사항은 아직 미정

2. 기술적 요구

지구에서 다른 행성으로 우주선을 보내는 데는 많은 에너지가 필요하다. 지구 궤도에서 목성까지 도달하는 데 필요한 에너지는 지구 표면에서 처음 궤도에 진입하는 데 필요한 에너지와 거의 같다. 궤도역학에서는 우주선의 에너지 소모량을 속도 변화량인 델타 V로 측정하는데, 지구 궤도에서 목성까지 가는 데 필요한 델타 V는 약 9km/s이다.[176][8][98] 이는 지구 표면에서 저궤도에 도달하는 데 필요한 델타 V인 9km/s에서 9.5km/s와 비슷한 수준이다.[9][97] 지구나 금성 등 다른 행성을 이용한 스윙바이(중력 도움 비행)를 통해 발사 시 필요한 에너지를 줄일 수 있지만, 이 경우 목성까지 가는 데 걸리는 시간이 더 길어지는 단점이 있다.[177][10][99] 10km/s 이상의 델타 V를 낼 수 있는 이온 추진기는 던 우주선에 사용되었으며, 이는 스윙바이 없이 지구와 비슷한 태양 궤도에서 목성까지 도달하기에 충분한 성능이다.[11][100]

목성 탐사의 또 다른 어려움은 착륙할 수 있는 단단한 표면이 없다는 점이다. 목성의 대기는 아래로 내려갈수록 점차 밀도가 높아지며 액체 상태의 내부로 부드럽게 전환될 뿐, 명확한 경계나 임계점이 존재하지 않는다. 따라서 목성 대기 속으로 진입한 탐사선은 결국 엄청난 압력에 의해 파괴될 수밖에 없다.[178][12][101]

목성의 자기권이 매우 강력하여 그 주위에 하전 입자들이 많이 붙잡혀 있어 높은 수준의 방사선 환경을 형성하는 것 또한 탐사선에게 큰 위협이다. 파이오니아 10호와 파이오니아 11호가 목성에 접근했을 때 관측된 방사선량은 예상치를 훨씬 뛰어넘었다. 특히 파이오니아 11호의 경우, 설계 한계치의 10배에 달하는 방사선에 노출되어 탐사선이 파괴될 것이라는 우려까지 나왔다. 다행히 큰 문제 없이 밴 앨런대를 통과했지만, 강한 방사선으로 인해 이미지 편광계가 오작동하여 위성 이오를 촬영한 사진 대부분을 잃었다.[179][13][102] 이후 보이저 탐사선들은 이러한 강력한 방사선에 견딜 수 있도록 재설계되었다.[18][106]

갈릴레오 탐사선은 목성 궤도를 8년 이상 돌면서 장기간 방사선에 노출되었고, 이는 설계 당시 예상했던 양을 훨씬 초과하는 수준이었다. 이로 인해 탐사선은 여러 차례 시스템 오류를 겪었다. 탐사선의 자이로스코프에 오류가 자주 발생했으며, 회전하는 부분과 회전하지 않는 부분 사이에서 아크 방전이 일어나 탐사선이 안전 모드로 전환되기도 했다. 이 때문에 16번째, 18번째, 33번째 궤도에서 얻은 데이터는 완전히 소실되었다. 또한, 방사선은 갈릴레오 탐사선에 실린 초안정 수정 진동자의 위상 변화를 일으키기도 했다.[180][14][103]

카시니가 촬영한 목성

3. 근접 통과

목성 탐사의 초기 단계에서는 탐사선이 행성 궤도에 진입하지 않고 스쳐 지나가며 관측하는 '근접 통과'(flyby) 방식이 주로 사용되었다.

파이어니어 10호는 1973년 12월 목성을 통과하며 인류 최초로 목성을 근접 탐사한 우주선이 되었고, 1년 뒤인 1974년 12월에는 파이어니어 11호가 뒤따랐다. 파이어니어 탐사선들은 목성과 갈릴레이 위성의 첫 근접 이미지를 촬영하고, 행성의 대기, 자기장, 방사선 환경 등을 조사하여 목성이 주로 유체 상태임을 밝히는 등 중요한 초기 정보를 제공했다.[16][17][18][19] 이들의 탐사 결과는 이후 목성 탐사선 설계에 중요한 기초 자료가 되었다.

1979년에는 보이저 1호와 보이저 2호가 연이어 목성을 근접 통과하며 훨씬 더 상세한 관측을 수행했다. 보이저 탐사선들은 목성의 복잡한 대기 현상, 고리 시스템, 그리고 이오의 활발한 화산 활동 등을 발견하며 목성계에 대한 이해를 크게 넓혔다.[20][24][21][22][23] 또한 갈릴레이 위성들의 다양한 지질학적 특징들을 밝혀냈으며, 아드라스테아, 메티스, 테베와 같은 새로운 위성들도 발견했다.[25][26][27][28][29][30]

이후에도 여러 탐사선들이 다른 목적지로 향하는 도중 목성의 강력한 중력을 이용한 스윙바이 기동을 위해 근접 통과하며 추가적인 관측 기회를 가졌다. 율리시스는 태양 탐사 임무 중 궤도 변경을 위해 1992년과 2004년 두 차례 목성을 지나며 자기권을 측정했고, 토성으로 향하던 카시니는 2000년 목성을 통과하며 고해상도 이미지와 대기 순환에 대한 중요한 데이터를 전송했다. 명왕성으로 향하던 뉴 허라이즌스 역시 2007년 스윙바이를 위해 목성을 통과하며 위성, 자기권, 고리 등을 관측했다.

3. 1. 파이어니어 계획 (1973년, 1974년)

파이어니어 10호는 목성을 방문한 최초의 탐사선이 되었다.


1974년 11월 30일부터 12월 5일까지 목성 주위를 공전하는 파이어니어 11호의 궤적 애니메이션


목성을 탐사한 최초의 우주선은 파이어니어 10호로, 1973년 12월에 목성을 통과했다. 13개월 후인 1974년 12월에는 쌍둥이 탐사선인 파이어니어 11호가 뒤를 이었다. 파이어니어 10호는 목성과 갈릴레이 위성의 최초 근접 사진을 촬영했으며, 행성의 대기를 관측하고 자기권과 방사선대(Radiation belt)를 감지했다. 또한 이 탐사를 통해 목성이 주로 액체 상태의 유체로 이루어져 있다는 사실을 밝혀냈다.[104][105]

파이어니어 11호는 1974년 12월 4일에 목성의 구름 상단으로부터 34000km 거리까지 가장 근접했다. 이 탐사선은 대적반의 상세한 이미지를 촬영하고, 목성의 극지방을 처음으로 관측했으며, 위성 칼리스토의 질량을 측정하는 성과를 거두었다. 이 두 파이어니어 탐사선이 수집한 정보는 이후 목성 탐사 임무를 위한 탐사선을 설계하고, 목성의 극한 환경에 더 잘 견딜 수 있도록 개선하는 데 중요한 기초 자료를 제공했다.[106][107]

3. 2. 보이저 계획 (1979년)

보이저 1호가 목성에 접근할 때 촬영한 목성의 타임랩스 영상.


보이저 1호는 1979년 1월부터 목성을 촬영하기 시작했으며, 같은 해 3월 5일 목성 중심에서 349000km 떨어진 지점을 통과했다.[186] 이 근접 통과 전후 48시간 동안 위성, 고리, 자기권, 방사선 환경에 대한 집중적인 관측이 이루어졌고, 목성 관측 자체는 4월까지 계속되었다. 곧이어 보이저 2호가 1979년 7월 9일, 목성 구름 상층부에서 576000km 떨어진 지점을 지나갔다.[190][187][188]

두 보이저 탐사선은 목성 탐사를 통해 여러 중요한 발견을 이루었다. 우선 목성에도 고리가 존재한다는 사실을 처음으로 확인했다. 또한 대기를 근접 촬영하여 복잡한 소용돌이 구조를 관측했으며, 특히 대적반이 반시계 방향으로 회전하는 거대한 폭풍임을 밝혀냈다. 이 외에도 띠 모양의 구름 사이에서 여러 개의 작은 폭풍과 회오리가 관측되었다.[190]

갈릴레이 위성에 대한 이해도 크게 향상되었다. 이오에서는 활발한 화산 활동이 관측되었는데, 이는 지구 이외의 천체에서 화산 활동이 발견된 최초의 사례였다. 보이저 탐사선들은 총 9번의 화산 분출을 기록했으며, 탐사선 통과 사이에 발생했을 것으로 추정되는 분출의 증거도 포착했다.[194] 가니메데에서는 판 구조와 유사한 지형적 특징이, 칼리스토에서는 수많은 충돌구가 관찰되었다.[189] 유로파의 표면에서는 수많은 선이 교차하는 모습이 저해상도 사진에서 발견되었다. 처음에는 지각 활동으로 생긴 깊은 골짜기로 추정했으나, 보이저 2호의 고해상도 사진에서는 뚜렷한 지형적 기복이 없어, 이 선들이 지구의 해빙과 유사하며 유로파 내부에 액체 상태의 물로 이루어진 바다가 존재할 수 있다는 가설이 제기되었다.[195] 유로파는 이오와 마찬가지로 조석 가열을 통해 내부 활동을 유지하며, 약 30km 두께의 얼음 지각 아래에 50km에서 100km 깊이의 바다가 있을 것으로 추정된다.[196]

또한 보이저 탐사선은 새로운 위성들을 발견했다. 아드라스테아와 메티스가 고리 바로 바깥쪽에서 공전하는 것을 확인했는데, 이들은 우주 탐사선이 발견한 최초의 목성 위성이다.[191][192] 이후 보이저가 촬영한 사진을 분석하는 과정에서 아말테아와 이오의 궤도 사이에서 테베가 추가로 발견되었다.[193]

3. 3. 율리시스 (1992년, 2004년)

1992년 2월 8일, 율리시스 태양 탐사선은 목성 북극에서 451000km 떨어진 곳을 지나갔다.[197][31][119] 율리시스는 본래 태양 탐사를 목적으로 했지만, 태양 주회 궤도의 궤도 경사를 높이기 위해 목성에서 스윙바이 기동을 이용했다.[198][32][120] 이 기동을 통해 황도면에 대한 궤도 경사를 80.2°까지 성공적으로 올렸다.[198][32][120] 목성의 강력한 중력은 율리시스의 비행 경로를 황도면에서 벗어나게 하여, 태양의 북극과 남극을 통과하는 최종 궤도로 진입시켰다.[32][120] 탐사선의 궤도는 원일점 약 5 AU(목성과 태양 간 거리)와 근일점 약 1 AU(지구와 태양 간 거리)보다 약간 먼 거리를 유지하도록 조정되었다.[32][120] 목성 접근 중 탐사선은 목성의 자기권을 측정했지만,[198][32][120] 카메라가 탑재되지 않아 목성 사진은 촬영되지 않았다.[198][32][120]

이후 2004년 2월, 율리시스는 다시 목성 근처로 접근했다.[198][32][120] 이때는 1992년보다 훨씬 먼 거리인 약 0.8 AU (약 1억 2천만 km)[198][32] 떨어져 있었지만, 추가적인 목성 관측을 수행했다.[198][199][200][32][33][34][120][121][122]

3. 4. 카시니 (2000년)

카시니-하위헌스가 촬영한 목성.


2000년, 토성으로 향하던 카시니 탐사선은 목성을 지나가면서 당시까지 촬영된 것 중 가장 해상도 높은 목성 이미지를 포함한 여러 과학적 데이터를 보내왔다.[35][123] 2000년 12월 30일 목성에 가장 근접했으며,[35] 약 한 달간의 근접 통과 기간 동안 총 26,000여 장의 사진을 촬영했다.[201][35] 이를 통해 가장 작은 가시적 특징이 약 60km 크기에 불과한, 목성의 가장 상세한 전체 모습 컬러 사진을 만들 수 있었다.[201][35]

카시니 탐사의 가장 큰 성과 중 하나는 목성의 대기 순환에 대한 새로운 이해를 제공한 것이다.[202] 목성 대기에는 어두운 색의 띠(belt)와 밝은 색의 영역(zone)이 번갈아 나타나는데, 기존에는 지구의 구름 생성 원리에 따라 밝은 영역이 상승 기류 지역으로 여겨졌다. 하지만 카시니가 촬영한 고해상도 이미지를 분석한 결과, 어두운 띠 안에 지구에서는 관측하기 어려울 정도로 작은 규모의 상승하는 흰색 폭풍 구름들이 다수 포함되어 있음이 밝혀졌다. 이를 통해 어두운 띠가 실제 상승 기류가 우세한 지역이며, 반대로 밝은 영역은 하강 기류가 우세한 지역이라는 사실이 새롭게 확인되었다.[202][36] 미국 항공 우주국(NASA) 고다드 우주 연구소의 앤서니 델 제니오(Anthony Del Genioeng)는 이 발견에 대해 "띠가 목성에서 순 상승하는 대기 운동의 영역임이 틀림없으며, 따라서 영역의 순 운동은 하강해야 한다"고 설명했다.[36]

다른 대기 관측 성과로는 목성 북극 근처 상층 대기에서 대적반 크기와 비슷한 타원형의 어두운 안개 구조(소용돌이)를 발견한 것이 있다. 또한 적외선 관측을 통해 극 주변의 대기 순환 모습과 목성 전체를 감싸며 서로 반대 방향으로 부는 바람의 띠 구조를 상세히 파악할 수 있었다.[202][35]

목성의 고리에 대한 연구도 이루어졌다. 고리 입자들이 빛을 산란시키는 방식을 분석한 결과, 입자들은 구형이 아닌 불규칙한 형태를 띠고 있음이 밝혀졌다. 이는 고리의 입자들이 메티스나 아드라스테아와 같은 작은 내부 위성들에 미세 운석이 충돌하면서 방출된 파편들일 가능성을 시사한다.[201][35] 카시니는 2000년 12월 19일 히말리아 위성의 사진도 촬영했지만, 거리가 너무 멀어 표면의 자세한 모습까지는 확인할 수 없었다.[201][35][123]

3. 5. 뉴 허라이즌스 (2007년)

2007년 뉴 허라이즌스가 촬영한 이오의 트바쉬타르(Tvashtar) 화산 분출


명왕성으로 향하던 뉴 허라이즌스 탐사선은 스윙바이(중력 보조)를 위해 목성을 지나갔다. 이는 1990년 율리시스 이후 목성을 향해 직접 발사된 첫 탐사선이었다. 뉴 허라이즌스는 2006년 9월 4일 장거리 정찰 영상 장치(LORRI)를 이용해 목성의 첫 사진을 촬영했고,[124] 2006년 12월부터 목성계 연구를 시작하여 2007년 2월 28일에 가장 가까이 접근했다.[125][126][127]

뉴 허라이즌스는 목성에 접근하는 동안 여러 관측 활동을 수행했다. 탐사선의 장비는 아말테아를 비롯한 목성의 내부 위성들의 궤도를 정밀하게 측정했다. 또한 이오의 화산 활동을 촬영하고, 4개의 갈릴레이 위성 모두를 자세히 연구했다. 외부 위성인 히말리아와 엘라라도 원거리에서 관측했다.[128] 이 외에도 목성의 오벌 BA(소적점), 자기권, 그리고 희미한 고리 시스템을 연구했다.[129]

2007년 3월 19일, 탐사선의 명령 및 데이터 처리 컴퓨터에서 수정 불가능한 메모리 오류가 발생하여 컴퓨터가 자체적으로 재부팅되었고, 이로 인해 탐사선은 안전 모드로 전환되었다. 다행히 탐사선은 이틀 만에 완전히 복구되었으나, 목성의 자기 꼬리(magnetotail)에 관한 일부 데이터가 손실되었다. 그 외 다른 데이터 손실은 없었다.[209]

목성계는 크기가 매우 크고 지구와의 거리도 상대적으로 가깝기 때문에, 뉴 허라이즌스는 원래 탐사 목표인 명왕성보다 목성에서 더 많은 양의 데이터를 수집하여 지구로 전송했다.

4. 궤도선

목성 궤도를 직접 돌면서 장기간에 걸쳐 목성과 그 위성들을 관측하는 탐사선을 궤도선이라고 한다.

최초의 목성 궤도선은 갈릴레오로, 1995년부터 2003년까지 7년 이상 활동하며 목성과 갈릴레이 위성 등을 상세히 탐사했다.[43][45] 갈릴레오는 슈메이커-레비 9 혜성의 목성 충돌을 관측하고[46] 목성 대기 탐사정을 투입하는 등[46] 중요한 성과를 남겼다. 비록 고이득 안테나 문제로 어려움이 있었으나,[44] 이오의 화산 활동, 유로파의 지하 바다 가능성, 가니메데의 자기장 발견 등 목성계에 대한 이해를 크게 넓혔다.[51][52][53][54][55][56] 갈릴레오는 2003년 9월, 위성 오염 가능성을 방지하기 위해 목성 대기권에 충돌하며 임무를 마쳤다.[43][44]

현재는 NASA의 주노 탐사선이 2016년부터 목성의 극궤도를 돌며 목성의 내부 구조, 중력장, 자기장 등을 정밀하게 연구하고 있다.

또한, 유럽 우주국(ESA)의 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE)이 2023년 발사되어 2031년 목성계 도착을 목표로 항해 중이며, 주로 목성의 얼음 위성들인 가니메데, 칼리스토, 유로파를 탐사할 예정이다.

이러한 궤도선들의 활동은 목성과 그 위성들에 대한 우리의 이해를 크게 넓히는 데 기여하고 있다.

4. 1. 갈릴레오 (1995년 ~ 2003년)

갈릴레오(자주색), 목성(녹색), 이오(붉은색), 유로파(파란색), 가니메데(금색), 칼리스토(청록색)]]

갈릴레오 탐사선은 최초로 목성 궤도에 진입한 탐사선이다. 1995년 12월 7일 목성 궤도에 도착하여 2003년 9월 21일 목성 대기권에 충돌하여 임무를 마칠 때까지 7년 이상 목성 주위를 돌며 총 35번 공전했다.[210][43] 탐사선의 고이득 안테나가 제대로 펴지지 않는 주요 문제가 발생하여 예상보다 적은 양의 정보를 수집했지만,[211][44] 목성계 전반에 걸쳐 방대한 자료를 성공적으로 확보했다. 갈릴레오는 갈릴레이 위성 모두와 아말테아에 근접하여 관측을 수행했으며,[212][45] 1994년에는 슈메이커-레비 9 혜성이 목성과 충돌하는 장면을 포착했고, 1995년 12월에는 목성 대기 속으로 탐사정을 투입하여 직접적인 대기 연구를 수행했다.[213][46]

슈메이커-레비 9 혜성 조각이 목성과 충돌하며 발생한 화구를 보여주는 갈릴레오 촬영 사진. 각 사진 사이 간격은 몇 초 정도이다.


갈릴레오 탐사선은 목성으로 향하던 중인 1994년 7월 16일부터 22일까지 슈메이커-레비 9 혜성의 조각들이 초속 약 60km/s의 속도로 목성 남반구에 차례로 충돌하는 것을 관측했다.[214][47] 이는 태양계 내 천체 간의 충돌을 직접 목격한 최초의 사례였다.[47] 충돌 지점은 지구에서는 볼 수 없는 목성의 반대편이었지만, 당시 목성에서 1.6 AU 거리에 있던 갈릴레오는 이 충돌 장면을 포착할 수 있었다. 충돌 시 발생한 화구의 온도는 최고 24,000,000까지 치솟았는데, 이는 목성 구름 상층부의 평균 온도인 약 130,000 (-143°C)와 비교하면 상당히 높은 온도였다. 충돌로 인해 발생한 거대한 기둥(플룸)은 3000km 이상 높이까지 솟아올랐다.[215][48]

1995년 7월, 갈릴레오 본체에서 분리된 대기권 탐사정은 같은 해 12월 7일 목성 대기권에 진입했다. 탐사정은 낙하산을 펼치고 약 150km 깊이까지 하강하며 57.6분 동안 목성 대기 데이터를 수집했다. 하지만 결국 22 기압의 압력과 153°C의 고온을 견디지 못하고 파괴되었으며, 이후 녹아서 증발했을 것으로 추정된다.[216][49] 갈릴레오 탐사선 본체 역시 2003년 9월 21일, 의도적으로 목성 대기권으로 돌진하여 최후를 맞이했다. 이는 생명체 존재 가능성이 제기되는 위성 유로파를 지구의 미생물로 오염시킬 가능성을 차단하기 위한 조치였다.[211][217][44][50]

갈릴레오 탐사선은 목성의 강력한 자기권으로 인한 높은 방사선 환경 속에서 임무를 수행해야 했다. 이 때문에 때때로 탐사선이 오작동을 일으키기도 했으며, 회전하는 부품과 비회전 부품 사이의 아크 방전으로 인해 안전 모드로 전환되면서 일부 궤도(16, 18, 33번째)에서 얻은 데이터가 완전히 손실되기도 했다. 탐사선에 탑재된 결정 진동자조차 방사선의 영향으로 위상 전이를 여러 차례 겪었다.[180]

갈릴레오 탐사 임무의 주요 과학적 성과는 다음과 같다.[218][219][220][221][222][51][52][53][54][55]

  • 다른 행성 대기에서 최초로 암모니아 구름 관측: 대기 하층부에서 상승하는 물질로부터 암모니아 얼음 입자가 형성됨을 확인했다.
  • 이오의 격렬한 화산 활동 확인: 지구 화산 활동보다 100배 이상 강력하며, 그 열기와 빈도는 초기 지구와 유사할 것으로 추정된다.
  • 이오 대기에서의 복잡한 플라스마 상호작용과 이로 인해 목성 대기까지 이어지는 전류 흐름을 관측했다.
  • 유로파의 얼음 지각 아래에 액체 상태의 바다가 존재할 가능성을 뒷받침하는 강력한 증거를 발견했다.
  • 위성(가니메데)에서 자체적인 자기장을 최초로 발견했으며, 유도 자기장 분석을 통해 유로파, 가니메데, 칼리스토 내부에 염분을 포함한 액체 바다가 존재할 가능성을 제시했다.
  • 유로파, 가니메데, 칼리스토에서 매우 옅은 대기층(엑소권)의 존재 증거를 확인했다.
  • 목성의 고리 형성 과정 이해: 안쪽 작은 위성들에 유성체가 충돌하면서 발생한 먼지들로 고리가 형성됨을 밝혀냈고, 바깥쪽 두 개의 희미한 고리를 관측했으며, 아말테아 궤도에도 독립적인 고리가 존재할 가능성을 제시했다.
  • 목성의 자기권의 전체적인 구조와 역학적 과정을 상세히 파악했다.


2013년 12월 11일, NASA는 갈릴레오가 수집한 데이터를 분석한 결과, 유로파의 얼음 지각에서 유기물 생성과 관련될 수 있는 점토광물(특히 층상 규산염)을 발견했다고 발표했다. 과학자들은 이 광물이 소행성이나 혜성과의 충돌로 인해 유로파 표면에 도달했을 가능성이 있다고 추정했다.[223][56]

4. 2. 주노 (2016년 ~ 현재)

2016년 6월 1일부터 2025년 10월 21일까지 주노의 궤적 애니메이션. 분홍색은 주노, 연두색은 목성을 나타낸다.


NASA는 목성을 상세히 연구하기 위해 2011년 8월 5일 주노 탐사선을 발사했다.[224][225][57] 주노는 2016년 7월 5일 목성의 극궤도에 성공적으로 진입하여 현재까지 임무를 수행 중이다.[226][227][58]

주노의 주요 임무는 목성의 구성, 중력장, 자기장, 그리고 극 자기권을 정밀하게 측정하고 연구하는 것이다. 또한, 목성이 어떻게 형성되었는지에 대한 단서를 찾기 위해 행성 핵이 암석질인지 여부, 대기 심층부에 존재하는 물의 양, 행성 내부의 질량 분포 등을 조사하고 있다. 주노는 시속 600km/h에 달할 수 있는 목성의 강력한 대기 심층부 바람에 대한 관측도 수행한다.[57][58][143][144][145][146]

주노는 탐사를 통해 여러 중요한 발견을 이루어냈다. 초기 결과에서는 기존 이론을 수정하는 목성 번개에 대한 정보를 수집했으며,[61] 목성의 북극 지역을 최초로 관측하여 목성의 오로라, 자기장, 대기에 대한 새로운 통찰력을 제공했다.[62]

특히 주노는 목성 형성에 대한 기존 이론에 도전하는 발견들을 내놓았다. 목성의 극 상공을 비행하며 극지방에 안정적으로 존재하는 사이클론 덩어리들을 촬영했으며,[63] 목성의 자기장이 예상과 달리 불균일하고 혼란스러운 형태임을 밝혀냈다. 마이크로파 방사계(Microwave Radiometer)를 이용한 관측 결과, 목성 표면에서 보이는 붉고 흰 띠 구조가 대기 중 수백 킬로미터 깊이까지 뻗어 있지만, 그보다 더 깊은 내부는 균일하게 섞여 있지 않다는 사실이 드러났다. 이는 목성이 기존에 생각했던 것처럼 단단한 고체 핵을 가진 것이 아니라, 암석과 금속 수소 조각들이 섞여 있는 "흐릿한"(fuzzy) 핵을 가지고 있을 수 있다는 새로운 이론으로 이어졌다. 이러한 특이한 핵 구조는 목성 형성 초기에 다른 천체와의 충돌 결과일 가능성이 제기되었다.[64]

4. 3. 목성 얼음 위성 탐사선 (JUICE, 2023년 발사)

유럽 우주국(ESA)의 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE, Jupiter Icy Moons Explorer)은 ESA의 코스믹 비전(Cosmic Vision) 과학 프로그램의 일부로 진행되는 임무이다. 2012년, ESA는 JUICE를 첫 번째 대형 임무(L-class mission)로 선정하였으며, 이는 기존 유로파 목성계 임무(EJSM, Europa Jupiter System Mission)의 유럽 측 담당이었던 목성 가니메데 궤도선(JGO, Jupiter Ganymede Orbiter) 계획을 대체하는 것이었다.[228][66]

JUICE 탐사선은 2023년 4월 14일에 성공적으로 발사되었으며, 태양계 내부에서 여러 차례의 중력 도움 비행(flyby)을 거친 후 2031년에 목성계에 도착할 예정이다.[4][65] 이 탐사선은 목성의 주요 얼음 위성인 가니메데, 칼리스토, 유로파를 상세히 연구하는 것을 목표로 한다.

유로파 목성계 임무에서의 미국 NASA와의 파트너십은 종료되었지만, NASA는 하드웨어 및 과학 장비 제공을 통해 JUICE 임무에 계속해서 협력하고 있다.[229][67]

5. 추진 중인 계획

유로파 클리퍼는 미국 항공우주국(NASA)이 유로파 위성을 연구하기 위해 진행 중인 탐사 임무이다.[68] 이 탐사선은 2024년 10월 14일에 성공적으로 발사되었으며,[69] 화성과 지구의 중력 도움을 받아 약 5.5년 동안 항해한 후 목성 궤도에 도착할 예정이다. 목성 궤도에 진입한 후에는 유로파에 근접하여 비행하는 방식으로 탐사를 수행하며, 강력한 방사선으로 인한 피해를 줄이기 위해 최소 49번의 근접 비행이 계획되어 있다.[68] 초기 계획에서는 2020년대 초반 발사하여 6.5년 후 도착, 32번 근접 통과할 예정이었다.[230]

과거 NASA와 유럽 우주국(ESA)은 목성과 그 위성들을 탐사하기 위한 공동 미션으로 EJSM을 계획했었다. 2009년 2월, ESA와 NASA는 이 미션을 타이탄-토성 시스템 미션보다 우선적으로 추진하기로 발표했으며,[147][148] 2020년경에 NASA 주도의 목성 유로파 탐사선과 ESA 주도의 목성 가니메데 탐사선을 함께 발사하는 구체적인 계획도 포함되었다.[149][150][151] 이 미션의 주요 목표 중 하나는 유로파의 얼음층 아래에 액체 상태의 바다가 존재하는지에 대한 오랜 과학적 논쟁을 해결하는 것이었다. 하지만 ESA가 담당할 부분은 다른 프로젝트와의 예산 확보 경쟁에 놓여 있었다.[152]

한편, 2011년에 발사된 NASA의 주노 탐사선은 목성의 극궤도를 돌며 목성이 고체 핵을 가지고 있는지 등을 조사하는 임무를 수행 중이다.

목성은 다른 외행성 탐사 임무에서 스윙바이를 통해 가속하는 데 자주 이용되기 때문에 태양계 외행성 중 가장 많이 탐사선이 방문한 행성이기도 하다. 목성 탐사에는 많은 연료 소모와 가혹한 방사선 환경 등 기술적인 어려움이 따른다.

6. 취소된 계획

목성의 위성 유로파, 가니메데, 칼리스토는 지하에 액체 상태의 바다가 존재할 가능성이 제기되어 탐사 대상으로 큰 관심을 받았다. 그러나 여러 탐사 계획들이 예산 문제 등으로 인해 지연되거나 취소되는 어려움을 겪었다.[231][153]

NASA의 유로파 궤도선(Europa Orbiter)은 유로파의 지하 바다 존재 여부를 확인하고 미래의 착륙 임무를 위한 후보지를 탐색하는 것을 목표로 했으나, 2002년에 계획이 취소되었다.[232][154] NASA의 또 다른 계획이었던 목성 얼음 위성 궤도선(Jupiter Icy Moons Orbiter, JIMO) 역시 2005년에 취소되었다.[233][155] 유럽에서도 조비안 유로파 궤도선(Jovian Europa Orbiter) 임무가 추진되었으나,[234][156] 이는 이후 유로파 목성계 임무로 대체되었다.

유로파 목성계 임무(Europa Jupiter System Mission, EJSM)는 NASA와 ESA가 공동으로 목성과 그 위성들을 탐사하기 위해 제안했던 대규모 프로젝트였다.[235][236][147] 2009년 2월, 양 기관은 이 임무를 타이탄 토성계 임무보다 우선적으로 추진하기로 발표했다.[78][79][148] EJSM 계획은 2020년대에 NASA가 주도하는 목성 유로파 궤도선(Jupiter Europa Orbiter, JEO)과 ESA가 주도하는 목성 가니메데 궤도선(Jupiter Ganymede Orbiter, JGO)을 각각 발사하는 것을 목표로 했다.[237][238][239][80][81][82][149][150][151]

그러나 ESA의 목성 가니메데 궤도선은 다른 ESA 프로젝트와의 예산 경쟁에 밀렸고,[240][83][152] NASA의 목성 유로파 궤도선 역시 높은 비용 문제에 부딪혔다.[241] 결국 미국의 행성 과학 10년 단위 조사 보고서(Planetary Science Decadal Survey)는 JEO가 너무 비싸다고 판단하고 더 저렴한 대안을 권고했다.[84] 이러한 문제들로 인해 NASA와 ESA, 그리고 관련되었던 JAXA 및 Roscosmos의 제안들을 포함한 EJSM 임무 전체가 취소되었다.

비록 EJSM은 취소되었지만, 이 계획에서 파생된 ESA의 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE)과 NASA의 유로파 클리퍼 탐사선이 이후 개발되어 각각 발사되었거나 발사를 앞두고 있다.

7. 유인 탐사



목성의 갈릴레이 위성은 미래 유인 탐사의 가능성이 있는 곳으로 여겨진다. 특히 생명체 존재 가능성이 제기되는 유로파와 상대적으로 방사선 수치가 낮은 칼리스토가 주요 목표로 꼽힌다.[242][253][157][169]

2003년, NASA는 갈릴레이 위성에 사람을 보내 탐사하는 인류 외행성 탐사(Human Outer Planets Exploration, HOPE) 계획을 제안했다.[243][85][158] NASA는 이 계획의 실행 가능 시점을 2040년대로 예상했다.[244][86][159] HOPE 연구에서는 목성과의 거리와 지질학적 안정성, 그리고 낮은 방사선 수치를 고려하여 칼리스토를 주요 목표 중 하나로 선정하고 표면 기지 건설 가능성을 검토했다.[85][93]

2004년 1월 발표된 우주 탐험 비전 정책에서도 NASA는 화성 너머의 임무를 언급하며, 목성 위성에 "eng"가 필요할 수 있다고 밝혔다.[245][87][160] 또한, 목성 얼음 위성 궤도선(JIMO) 계획이 취소되기 전, 당시 NASA 국장이었던 숀 오키프는 유인 탐사가 뒤따를 것이라고 언급하기도 했다.[246][88][161]

하지만 목성계는 유인 탐사를 진행하기에 여러 어려움이 따른다. 목성의 자기권으로 인해 발생하는 강력한 방사선과 행성 자체의 매우 깊은 중력 우물은 유인 탐사에 있어 해결해야 할 주요 과제이다.[89] 특히 이오, 유로파, 가니메데 등 주요 위성들은 인간에게 치명적인 수준의 방사선에 노출되어 있어, 현재 기술로는 장기간의 유인 활동이 어렵다.[85][93]

7. 1. 식민지화 가능성

NASA는 목성 대기에서 핵융합 연료로 사용될 수 있는 헬륨-3를 추출하는 방안의 실행 가능성을 검토한 바 있다.[247][248][94][95][162][163] 이는 궤도에 공장을 건설하여 가스를 채취하고 방문 우주선에 보급하는 방식이다.[249][96][164]

하지만 목성계는 식민지화에 큰 어려움이 따른다. 강력한 목성의 자기권으로 인해 방사선 수치가 매우 높고, 행성의 깊은 중력 우물 역시 극복해야 할 과제이다.[250][89][165] 이오에서는 보호 장비 없이 하루에 약 36Sv(3600 rem), 유로파에서는 5.4Sv(540 rem)의 방사선에 노출된다.[250][89][165] 며칠 내로 0.75Sv 이상의 방사선을 받으면 방사선 중독을 일으키며, 5Sv 이상은 치명적이라는 점[250][251][89][90][165][166]에서 이는 식민지화에 있어 결정적인 걸림돌이다.

목성계 위성별 일일 방사선량 비교
위성Sv/일rem/일
이오363600[250][89][167]
유로파5.4540[250][89][165]
가니메데0.088[250][89][165]
칼리스토0.00010.01[250][89][165]
지구 (평균 자연 방사선)연간 약 0.0024연간 약 0.24



가니메데는 태양계 위성 중 유일하게 자체 자기장을 가지고 있지만, 목성의 강력한 자기장에 가려져 우주 방사선으로부터 충분한 보호를 제공하지 못한다. 가니메데는 하루 약 0.08Sv(8 rem)의 방사선에 노출된다.[250][89][165]

반면, 칼리스토는 목성의 강한 방사선대에서 비교적 멀리 떨어져 있어 하루 약 0.0001Sv(0.01 rem)의 방사선만 받는다.[250][89][165] 이 때문에 칼리스토는 현재까지 유인 기지 건설이 가능한 유일한 갈릴레이 위성으로 여겨진다.[243][252][85][93][168] 2003년 NASA가 제안한 인류 외행성 탐사 (Human Outer Planets Exploration, HOPE) 계획에서도 칼리스토의 지질학적 안정성과 낮은 방사선 수치를 이유로 표면 기지 건설 가능성을 주요 목표 중 하나로 검토했다.[243][85][168] 칼리스토 표면에 기지를 건설하여 태양계 추가 탐사를 위한 연료를 생산할 수도 있다.

유로파는 높은 방사선량에도 불구하고 얼음 지각 아래에 액체 상태의 바다가 존재할 가능성이 제기되어 왔다. 1997년 제안된 아르테미스 프로젝트에서는 유로파의 얼음 지각을 뚫고 지하 바다에 인공적인 거주 공간(공기 주머니)을 만드는 방식의 식민지화 계획을 구상하기도 했다.[253][254][91][92][169][170]

결론적으로 이오, 유로파, 가니메데는 높은 이온화 방사선 수준으로 인해 인간의 생명에 적대적이며, 장기적인 인간 거주를 위해서는 적절한 방사선 차폐 기술 개발이 선행되어야 한다.[243][252][85][93][168]

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