갈릴레이 위성

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1. 개요
2. 역사
3. 구성원
4. 구조 비교
5. 가시성
참조

1. 개요

갈릴레이 위성은 목성을 공전하는 4개의 위성, 즉 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토를 일컫는다. 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 최초로 관측하여 지동설을 뒷받침하는 증거가 되었으며, 시몬 마리우스가 개별 위성 명칭을 제안했다. 이 위성들은 목성과의 거리, 밀도, 내부 구조, 지형 등에서 뚜렷한 차이를 보이며, 보이저, 갈릴레오, 뉴 허라이즌스 등의 탐사선을 통해 연구되었다. 갈릴레이 위성은 맨눈으로도 관측 가능하며, 특히 유로파의 지하 바다는 외계 생명체 존재 가능성을 제시하며 주목받고 있다.

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갈릴레이 위성
지도
명칭
이름	갈릴레이 위성
로마자 표기	Galilei wiseong
영어 이름	Galilean moons
일본어 이름	ガリレオ衛星 (Garireo eisei)
발견
발견자	갈릴레오 갈릴레이
발견일	1610년 1월
최초 관측	1609년 12월
공동 발견자 주장	시몬 마리우스
특징
설명	목성의 가장 큰 네 위성
구성원	이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토
공전	목성 주위를 공전
크기	가장 큰 위성: 가니메데 태양계에서 가장 큰 위성 중 일부
공전 궤도	거의 원형에 가까운 궤도
공전 주기	1.7일에서 16.7일까지 다양
궤도 공명	이오, 유로파, 가니메데 궤도는 1:2:4 공명
기타
관련 탐사선	갈릴레오 탐사선 주노 탐사선 유로파 클리퍼 (예정) JUICE (예정)
내부 구조	암석과 얼음으로 구성
연구 분야	위성 지질학 내부 구조 액체 바다의 존재 가능성 (특히 유로파)
관련 사건	2015년, 시몬 마리우스의 발견 400주년
참고 자료
참고 자료	NASA 태양계 탐사: 아말테아 갈릴레오 연구 시몬 마리우스의 Mundus Iovialis

2. 역사

1610년 1월 7일 갈릴레오가 최초로 목성의 위성들을 관측했고, 며칠 후 이 천체들이 목성 주위를 공전한다는 것을 확인했다. 이 발견은 니콜라우스 코페르니쿠스의 지동설을 뒷받침했고, 모든 천체가 지구를 중심으로 돈다는 천동설에 반하는 것이었다.

독일의 시몬 마리우스는 자신이 갈릴레오보다 먼저 관측했다고 주장했으나, 율리우스력을 그레고리력으로 환산하면 갈릴레오보다 하루 늦다. 그러나 위성들의 명칭은 마리우스가 제안한 것이 사용되고 있다.

중국의 천문학사가 석택종(Xi Zezong)에 따르면, 제의 천문학자 감덕이 기원전 364년에 목성 근처의 어두운 별을 기록했는데, 이것이 갈릴레이 위성일 가능성이 있다고 한다.^[62] 시등급 5~6등인 갈릴레이 위성은 단독으로는 맨눈으로 볼 수 있지만, 목성이 매우 밝아 관측이 어렵다. 감덕 외에 맨눈으로 관측했다는 기록은 알려져 있지 않다.

2. 1. 발견

갈릴레오 갈릴레이는 자신이 개량한 망원경을 사용하여 20배 정도 확대되는 성능으로 천체를 더 정확하게 관찰할 수 있었다. 그 결과, 1609년 12월 또는 1610년 1월에 갈릴레이 위성을 발견했다.^[65]^[66]^[67]

1610년 1월 7일, 갈릴레이는 목성의 위성들을 언급하는 첫 번째 편지를 썼다. 당시 그는 세 개의 위성을 발견했고, 목성 주변에 고정되어 있다고 생각했다. 1610년 1월 8일부터 3월 2일까지 관측을 통해 네 번째 위성을 발견하고, 이 위성들이 목성 궤도를 돌고 있다는 것을 확인했다.^[66]

갈릴레이의 발견은 망원경을 통해 이전에는 볼 수 없었던 천체를 발견했다는 점에서 천문학 도구로서 망원경의 중요성을 입증했다. 또한, 지구가 아닌 다른 천체를 도는 천체의 발견은 지구중심설에 큰 타격을 주었다.^[68] 갈릴레이는 '별 세계의 보고'(별이 빛나는 편지)를 통해 자신의 관측 내용을 발표했으며, 태양 중심의 코페르니쿠스 이론을 명시적으로 언급하지는 않았지만, 코페르니쿠스 이론과 관련된 내용이 많이 나온다.^[66]

독일의 시몬 마리우스는 자신이 갈릴레오보다 먼저 1609년에 위성들을 관측했다고 주장했지만,^[10] 그의 기록은 갈릴레이보다 늦게 발표되어 불확실성이 있다.^[10] 마리우스의 관측 기록은 1609년 12월 29일부터 시작되지만, 당시 독일은 율리우스력을 사용하고 있었고, 그레고리력으로 환산하면 1610년 1월 8일이 되어 갈릴레오보다 하루 늦다.

중국의 천문학자인 감덕은 기원전 362년에 가니메데로 추정되는 '작고 붉은 별'을 기록했다.^[69] 이것이 사실이라면, 갈릴레이의 발견보다 약 2천 년 정도 앞선다. 중국의 천문학사가인 석택종(Xi Zezong)에 따르면, 제의 천문학자이자 점성술사인 감덕이 기원전 364년에 목성 근처의 어두운 별을 기록했는데, 이것이 갈릴레이 위성이 아닐까 생각된다고 한다.^[62]

2. 2. 명명

갈릴레오 갈릴레이는 처음에 이 위성들을 코시모 2세의 이름을 따서 '코스미카 시데라'(Cosmica Sidera, 코시모의 별들)라고 명명했다.^[6] 그러나 코시모 2세의 제안으로 메디치 가문의 네 형제(코시모, 프란체스코, 카를로, 로렌초)를 기리기 위해 '메디체아 시데라'(Medicea Sidera, 메디치 별들)로 변경되었다.^[6] 갈릴레이는 또한 위성들을 목성으로부터의 거리 순서대로 I, II, III, IV로 번호를 매겼다.^[14]

시몬 마리우스는 1614년에 발표한 자신의 저서 『주피터의 세계』(Mundus Jovialis)에서 요하네스 케플러의 제안에 따라 제우스(유피테르의 그리스어 이름)의 연인들의 이름을 따서 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토라는 이름을 제안했고,^[13] 이 이름들이 현재 사용되고 있다.

조반니 바티스타 호디에르나, 요하네스 헤벨리우스, 자크 오자남도 다른 이름들을 제안했지만, 널리 사용되지는 않았다.^[12]^[63]

갈릴레이 위성의 이름과 관련된 제안들을 표로 정리하면 다음과 같다.

제안자	발표지	명칭	비고
갈릴레오 갈릴레이	Sidereus Nuncius(『별들의 전령』) (1610년)		\|
시몬 마리우스	Mundus Jovialis(1614년)	이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토	제우스의 연인들 이름, 현재 사용 중
조반니 바티스타 호디에르나	Medicaeorum Ephemerides(1656년)		메디치 가문 인물 관련^[63]
요하네스 헤벨리우스			\|
자크 오자남			\|

2. 3. 경도 결정 방법

갈릴레오 갈릴레이는 갈릴레이 위성의 궤도 시간을 기반으로 경도를 결정하는 방법을 제안했다.^[15] 위성의 식 시간은 미리 정확하게 계산하여 육지 또는 선박에서의 현지 관측과 비교하여 현지 시간과 경도를 결정할 수 있었다. 안전한 항해에는 배의 위치를 정확하게 측정하는 것이 필요했고, 위도는 현지 천문 관측으로 충분히 측정할 수 있었지만, 경도를 측정하려면 기준 경도의 시간과 동기화된 각 관측의 시간을 알아야 했다. 경도 문제는 매우 중요하여 스페인, 네덜란드, 영국은 여러 차례에 걸쳐 해결책에 대한 큰 상금을 걸었다.

갈릴레오는 1616년 연금 2,000두캇에 6,000골드 두캇의 스페인 상금에 지원했고, 거의 20년 후 네덜란드 상금에도 지원했지만, 그때는 이단 가능성으로 가택 연금 중이었다.^[16]

목성 위성 기법의 주요 문제는 움직이는 배에서 망원경으로 갈릴레이 위성을 관측하기 어렵다는 것이었는데, 갈릴레오는 셀라톤을 발명하여 이 문제를 해결하려고 했다. 다른 사람들도 개선책을 제안했지만 성공하지 못했다.^[17]

육지 측량 조사는 경도를 결정하는 데 있어서도 같은 문제가 있었지만, 관측 조건은 덜 심각했다. 이 방법은 실용적인 것으로 판명되었으며 조반니 도메니코 카시니와 장 피카르가 프랑스를 재측량하는 데 사용되었다.^[18]

3. 구성원

갈릴레이 위성은 목성과의 거리 순으로 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토이다. 이 위성들은 목성의 원시 위성 원반에서 형성되었을 가능성이 있으며, 여러 세대에 걸쳐 형성되었을 수도 있다.^[70]

시뮬레이션에 따르면 목성의 초기 역사에는 여러 세대의 갈릴레이 위성들이 존재했을 수 있다. 각 세대의 위성들은 원시 행성계 원반에 끌려 목성으로 떨어져 파괴되었고, 남은 잔해에서 새로운 위성이 형성되었다. 현재 세대의 위성들이 형성될 무렵에는 원시 위성 원반의 가스가 희박해져 위성 궤도에 큰 영향을 미치지 않게 되었다.^[21]^[19]

이오는 물이 없는(건조된 상태) 위성이며, 내부는 암석과 금속으로 이루어져 있다.^[71] 유로파는 질량의 8%가 물과 얼음이고 나머지는 암석으로 구성되어 있다.^[71] 위성의 밀도는 목성에서 멀어질수록 감소한다. 가장 안쪽의 이오는 철과 암석의 중간 정도 밀도를 가지는 반면, 가장 바깥쪽의 칼리스토는 얼음과 암석의 중간 정도 밀도를 가진다. 칼리스토는 표면의 변화가 거의 없으며, 밀도가 행성 전체에 균일하게 퍼져 있다. 반면 안쪽의 세 위성은 내부 분화의 흔적이 남아 있거나 분화 중이며, 표면에도 상당한 변화가 있었다.

이오, 유로파, 가니메데는 1:2:4 궤도 공명을 보인다. 또한, 모든 갈릴레이 위성은 자전 주기와 공전 주기가 동일하다.

갈릴레이 위성의 주요 제원
이름	지름 (km)	질량 (kg)	밀도 (g/cm³)	궤도 긴반지름 (km)	공전 주기 (일)	궤도 경사 (°)	이심률
이오	3660.0 x 3637.4 x 3630.6	8.93E	3.528	421800km	1.769	0.050	0.0041
유로파	3121.6	4.8E	3.014	671100km	3.551	0.471	0.0094
가니메데	5268.2	1.48E	1.942	1070400km	7.155	0.204	0.0011
칼리스토	4820.6	1.08E	1.834	1882700km	16.689	0.205	0.0074

목성계의 방사능
위성	rem/일
이오	3600^[103]
유로파	540^[103]
가니메데	8^[103]
칼리스토	0.01^[103]

3. 1. 이오

이오(Jupiter I)는 목성의 네 갈릴레이 위성 중 가장 안쪽에 있는 위성이다. 지름이 3,642 km로 태양계에서 네 번째로 큰 위성이며, 지구의 달보다 약간 더 크다. 헤라의 여사제이자 제우스의 연인이었던 이오의 이름을 따서 명명되었다. 20세기 중반까지는 "목성 I" 또는 "목성의 첫 번째 위성"으로 불렸다.^[14]

400개가 넘는 활화산이 있는 이오는 태양계에서 지질학적으로 가장 활동적인 천체이다.^[25] 이오의 표면에는 100개가 넘는 산이 있으며, 그중 일부는 지구의 에베레스트 산보다 높다.^[26] 태양계 외곽의 대부분의 위성(두꺼운 얼음층을 가지고 있음)과 달리, 이오는 주로 용융된 철 또는 황화철 핵을 둘러싼 규산염 암석으로 구성되어 있다.^[27]

갈릴레오 탐사선의 데이터는 이오가 자체 자기장을 가지고 있을 가능성을 시사하지만, 아직 확인되지는 않았다.^[28] 이오는 대부분 이산화황(SO₂)으로 구성된 매우 얇은 대기를 가지고 있다.^[29] 미래에 이오에 표면 데이터나 수집선을 착륙시키려면, 목성에서 발생하는 방사선과 자기장을 견뎌내기 위해 소련의 베네라 착륙선과 같은 매우 튼튼한 (탱크와 유사한) 구조여야 할 것이다.^[30]

3. 2. 유로파

유로파는 목성에서 두 번째로 가까운 갈릴레이 위성이며, 네 갈릴레이 위성 중 가장 작다. 지름은 3,121.6km로 달보다 약간 작다. 유로파라는 이름은 신화 속에서 제우스에게 구애받아 크레타의 여왕이 된 인물의 이름에서 따왔지만, 20세기 중반까지 널리 사용되지 않았다.^[75]

유로파는 태양계에서 가장 매끄러운 표면을 가진 천체 중 하나이다.^[81] 위성의 맨틀은 두께 약 100km의 물 층으로 둘러싸여 있는데,^[82] 표면은 얼음으로 덮여 있고, 그 아래에는 액체 상태의 물로 이루어진 바다가 존재할 것으로 추정된다.^[83] 젊고 매끄러운 표면은 이 바다에 외계 생명이 존재할 수 있다는 가설을 뒷받침한다.^[84] 조석 가열이 유로파 지하의 바다가 얼지 않도록 열을 공급하는 것으로 추정된다.^[85]

유로파의 지하 바다에는 지구의 열수 분출공이나 보스토크 호와 유사한 환경에 생명체가 존재할 가능성이 있으며,^[86] 이는 지구 심해에 사는 미생물과 유사할 것으로 추정된다.^[87] 아직까지 유로파에 생명체가 존재한다는 증거는 없지만, 향후 탐사선 발사를 통해 확인할 계획이 있다.^[88]

유로파 표면을 가로지르는 줄무늬는 대부분 알베도 지형이며, 높이가 낮다. 유로파에는 충돌구가 거의 없는데, 이는 표면이 지질학적으로 젊기 때문이다.^[89] 목성의 중력이 이러한 줄무늬를 만들었다고 추정되는데, 유로파의 한쪽 면은 항상 목성을 향하기 때문이다. 또한, 화산 활동이나 간헐천으로 인해 유로파의 표면이 갈라졌을 수도 있다. 줄무늬의 붉은 갈색은 황 때문에 나타나는 것으로 추정되지만, 아직 탐사선을 통해 확인된 바는 없다.^[90] 유로파는 주로 규산암으로 이루어져 있고, 철 핵을 가지고 있을 것으로 추정된다. 얇은 대기는 주로 산소로 구성되어 있다.^[40]

목성계의 방사능
위성	rem/일
이오	3600^[103]
유로파	540^[103]
가니메데	8^[103]
칼리스토	0.01^[103]

3. 3. 가니메데

가니메데(목성 III)는 갈릴레이 위성 중 세 번째 위성이며, 그리스 신화에서 제우스의 술 따르는 사람이자 연인이었던 가니메데의 이름을 따서 명명되었다.^[41] 지름은 5,262.4km로 태양계에서 가장 큰 위성이며, 수성보다 크다. 하지만 가니메데는 얼음 위성이기 때문에 질량은 수성의 약 절반에 불과하다.^[42] 가니메데는 액체 철 중심부 내부의 대류를 통해 생성된 것으로 보이는 자기권을 가지고 있는 유일한 위성이다.^[43]

가니메데는 주로 규산염암과 물 얼음으로 구성되어 있으며, 가니메데 표면 아래 약 200km 지점에 얼음층 사이에 끼어 있는 염수 바다가 존재하는 것으로 여겨진다.^[44] 가니메데의 금속 중심핵은 과거 어느 시점에 이전에 제안되었던 것보다 더 높은 열을 가졌음을 시사한다. 표면은 크레이터가 많은 어두운 지역과 더 젊지만 여전히 오래된 고랑과 산맥이 많은 지역의 두 가지 유형의 지형이 혼합되어 있다. 가니메데에는 많은 크레이터가 있지만, 얼음 지각이 이들을 덮으면서 많은 크레이터가 사라지거나 거의 보이지 않는다. 이 위성은 O, O₂, 그리고 아마도 O₃(오존)을 포함하는 얇은 산소 대기와 일부 수소 원자를 가지고 있다.^[45]^[46]

갈릴레이 위성의 비교
이름	지름 (km)	질량 (kg)	밀도 (g/cm³)	궤도 긴반지름 (km)	공전주기(일)
이오	3660.0 x 3637.4 x 3630.6	8.93 x 10²²	3.528	421,800	1.769
유로파	3121.6	4.8 x 10²²	3.014	671,100	3.551
가니메데	5262.4	1.48 x 10²³	1.942	1,070,400	7.155
칼리스토	4820.6	1.08 x 10²³	1.834	1,882,700	16.69

목성계의 방사능
위성	rem/일
이오	3600^[103]
유로파	540^[103]
가니메데	8^[103]
칼리스토	0.01^[103]

3. 4. 칼리스토

칼리스토는 갈릴레이 위성 중 가장 바깥쪽에 있는 위성이며, 네 개의 위성 중 두 번째로 크다. 지름은 4,820.6km로, 수성보다 약간 작지만 질량은 수성의 3분의 1에 불과하다. 칼리스토는 다른 갈릴레이 위성들과 궤도 공명을 일으키지 않고, 목성에 대해 조석 고정되지도 않는다.^[97] 칼리스토는 암석과 얼음이 거의 같은 비율로 이루어져 있으며, 밀도는 갈릴레이 위성 중 가장 낮다.

칼리스토는 태양계에서 가장 충돌구가 많은 위성 중 하나이며, 대표적으로 지름 3,000km 크기의 발할라 충돌구가 있다.^[48] 표면은 오래되고 어둡다.

칼리스토는 매우 얇은 이산화 탄소^[98]^[49]와 산소 분자(O₂)^[99]^[50] 대기를 가지고 있다. 탐사선에 의한 조사 결과, 칼리스토의 표면 밑 100km 정도 깊이에 액체 상태의 물로 이루어진 지하 바다가 있을 것으로 나타났다.^[100] 칼리스토 내부에 바다가 존재할 가능성은 외계 생명이 존재할 수도 있음을 시사하지만, 근처의 위성인 유로파보다는 가능성이 적다.^[101]^[52]

칼리스토는 목성의 방사능으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 미래의 인류 탐사의 적격지로 생각되고 있다.^[102]^[53] 목성계의 방사능을 나타내는 표는 다음과 같다.

목성계의 방사능
위성	rem/일
이오	3600^[103]
유로파	540^[103]
가니메데	8^[103]
칼리스토	0.01^[103]

4. 구조 비교

갈릴레이 위성들은 목성으로부터 멀어질수록 밀도가 감소하는 경향을 보이는데, 이는 위성 내부 구성 성분과 구조의 차이를 반영한다.^[70]^[71] 가장 바깥쪽에 있는 칼리스토는 밀도가 가장 낮으며, 암석과 얼음이 균질하게 섞여 있는 것으로 추정된다. 반면 가장 안쪽에 있는 이오는 밀도가 가장 높으며, 금속 핵과 암석 맨틀로 구성되어 있다. 가니메데와 유로파는 내부 분화의 흔적이 보이며, 표면 지형도 다양하게 나타난다.

이름	지름 (km)	질량 (kg)	밀도 (g/cm³)	궤도 긴반지름 (km)^[72]	공전주기 (일)^[73] (상대적 공전 수)	궤도 경사 (°)^[74]	이심률
이오	3660.0 x 3637.4 x 3630.6	8.93 x 10²²	3.528	421,800	1.769 (1)	0.050	0.0041
유로파	3121.6	4.8 x 10²²	3.014	671,100	3.551 (2)	0.471	0.0094
가니메데	5262.4	1.48 x 10²³	1.942	1,070,400	7.155 (4)	0.204	0.0011
칼리스토	4820.6	1.08 x 10²³	1.834	1,882,700	16.69 (9.4)	0.205	0.0074

가니메데는 과거 얼음 표면의 지각 활동으로 지하층이 부분적으로 용융되었을 것으로 보인다. 유로파는 얇은 얼음 지각을 가지고 있어 비교적 최근까지 활발한 지질 활동이 있었음을 보여준다. 이오는 황 표면, 활화산 활동을 보이며 얼음 흔적이 없다. 이는 위성이 목성에 가까울수록 내부가 뜨겁다는 것을 의미하며, 조석 가열의 영향으로 추정된다.

이오, 유로파, 가니메데는 1:2:4 궤도 공명 현상을 보인다. 또한, 모두 자전 주기와 공전 주기가 같다.

목성 방사선
위성	렘/일
이오	3600^[54]
유로파	540^[54]
가니메데	8^[54]
칼리스토	0.01^[54]
지구 (최대)	0.07
지구 (평균)	0.0007

5. 가시성

갈릴레이 위성은 충분히 밝아서 아마추어 망원경이나 쌍안경으로도 관측할 수 있다. 목성과 충분히 떨어져 있다면 맨눈으로도 관측 가능하지만, 목성의 밝기 때문에 쉽지 않다.^[105]^[59] 가니메데와 칼리스토는 목성과의 각거리가 가장 크기 때문에 맨눈으로 관측할 가능성이 가장 높다.^[61]

아마추어 망원경(Meade LX200)을 통해 본 목성과 갈릴레이의 네 위성

2017년 4월 10일경 합 무렵 관측된 목성과 갈릴레이 위성 및 보름달

이 위성들의 겉보기 등급은(목성이 태양과 충의 위치에 있다면) 4.6~5.6이 될 것이다.^[104] 위성들이 목성에서 떨어지는 최대 각도는 2~10분 정도이고,^[106] 인간의 시력 한계에 도달한다.

참조

_[1] OED Galilean
_[2] 서적 Galileo at Work: His Scientific Biography University of Chicago Press 1978
_[3] 웹사이트 In Depth Amalthea https://solarsystem.[...] 2019-11-17
_[4] 논문 Simon Marius's Mundus Iovialis: 400th Anniversary in Galileo's Shadow 2015
_[5] 논문 The Telescope in the Seventeenth Century 1974-03-01
_[6] 서적 Sidereus Nuncius, or The Sidereal Messenger University of Chicago Press 1989
_[7] 서적 The Starry Messenger https://archive.org/[...] 1610
_[8] 웹사이트 Satellites of Jupiter https://galileo.rice[...] Rice University 1995-01-01
_[9] 논문 The sighting of Jupiter's satellite by Gan De 2000 years before Galileo 1981-06-01
_[10] 웹사이트 The Discovery of the Galilean Satellites https://solarviews.c[...]
_[11] 웹사이트 Jovilabe https://catalogue.mu[...] Museo Galileo
_[12] 서적 Annuaire de l'Observatoire royal de Bruxelles https://books.google[...] L'Académie royale des sciences, des lettres et des beaux-arts de Belgique
_[13] 논문 Naming the Satellites of Jupiter and Saturn https://had.aas.org/[...] 1994-08-01
_[14] 논문 The names of the satellites of Jupiter: from Galileo to Simon Marius 2005
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