갈릴레오위성

갈릴레오위성은 1610년 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)가 자신이 만든 천체망원경으로 목성 주변에서 발견한 4개의 위성이다. 갈릴레이 위성이라고도 부른다. 목성 위성들 가운데 가장 규모가 큰 4개의 위성이며, 그리스 신화의 제우스(주피터: 목성의 영문이름)의 연인의 이름을 따 이오(Io), 유로파(Europa), 가니메데(Ganymede), 칼리스토(Callisto)로 명명되었다. 참고로, 태양계 위성을 크기 순으로 늘어놓으면 가니메데가 가장 크고, 그 다음은 토성의 타이탄, 칼리스토, 이오, 지구의 달, 유로파, 해왕성의 트리톤 등이다 (그림 1 참조). 갈릴레오의 발견은 천문 관측에서 천체망원경의 중요성을 일깨워 주었다. 뿐만 아니라, 이들 위성이 지구가 아닌 다른 천체를 공전한다는 사실은 지구중심설에 심각한 타격을 주었으며, 코페르니쿠스의 지동설을 강력하게 뒷받침하는 사례로 인용된다.

그림 1. 다른 태양계 위성과 갈릴레오위성, 지구의 크기 비교.()

목차

갈릴레오는 본인이 만든 망원경을 개선해 약 20배의 배율을 구현했고, 그 결과 더 나은 분해능을 얻었다. 이후 그는 1609년 12월에서 1610년 1월 사이에 이들 4개의 천체를 발견했지만 나중에야 이 천체들이 목성의 위성이라는 사실을 알았다. 1610년 1월 7일, 갈릴레오는 이들 천체에 대해 언급하는 첫 편지를 썼다. 그는 이 중 세 개를 발견했고, 목성 주변에 고정돼 있다고 생각했다. 그리고 이들을 지속적으로 관측해 네 번째 위성을 발견한 뒤, 이들이 목성 주변에 고정된 것이 아니라 목성 궤도를 돌고 있다는 사실을 알아냈다. 1610년 3월의 일이다.

갈릴레오의 발견은 천문학의 도구로써 천체망원경의 중요성을 입증했다. 이들 4개 천체가 지구가 아닌 다른 행성 주변을 돈다는 것은 지구중심설에 심각한 타격을 줄 수 밖에 없었다. 갈릴레이는 '별의 메신저(Sidereus Nuncius, Starry Messenger의 뜻)'라는 저서에 자신의 발견 사실을 발표했다. 그러나 태양이 우주의 중심에 있다는 코페르니쿠스의 가설을 명시적으로 언급하지는 않았다. 그럼에도 불구하고 이 책에는 코페르니쿠스의 이론과 관련된 내용이 많이 등장한다. 목성을 공전하는 4개의 위성의 존재는, 금성이 달처럼 위상이 변한다는 사실과 함께 지동설을 무너뜨리는 직접적인 증거가 되었다.

표 1에는 각 위성들의 궤도 특성이 정리되어 있다. 여러 가지 특성 중에서 주목할 만한 점은 이오와 유로파와 가니메데의 공전 주기가 1: 2:4라는 점이다 (그림 2 참조).

그림 2. 갈릴레오위성 중 이오, 유로파, 가니메데는 주기가 1: 2:4의 비율로 공전하고 있다.()

4개의 갈릴레오위성 중 목성에 가장 가깝다. 지름 3,642km로 태양계에서 네 번째로 큰 위성이다. 이름은 그리스 신화의 이오에서 따 왔는데, 헤라의 여사제이며, 동시에 제우스가 사랑하던 사람이다. 그러나 이오라는 이름이 붙은 것은 비교적 최근이며, 그동안 단순히 "목성 I"로만 불려왔다. 이오는 태양계에서 지질학적으로 가장 활발한 위성이다(그림 3 참조). 400여 개의 활화산이 그 표면에 분포한다. 이외에도 100개가 넘는 산이 곳곳에 분포하며, 그 일부는 지구의 에베레스트산보다 더 높다. 외행성에 속하는, 표면이 얼음으로 덮인 다른 위성들과 달리, 이오는 용융 상태의 철과 황화철로 구성된 핵을 규산염이 둘러싸고 있다. 아직 증명되지는 않았지만, 갈릴레오 탐사선이 얻은 최신 정보로부터 이오가 자기장을 가질 수 있다는 사실이 알려졌다. 이오는 주로 이산화황(SO₂)으로 이뤄진 엷은 대기를 가지고 있다. 탐사선이 이곳에 착륙한다면 목성의 강력한 방사능으로부터 보호받아 살아남는 것을 최우선으로 고려해야한다.

갈릴레오위성 중 두 번째로 목성에 가깝다. 갈릴레오위성 중 가장 작고(3121.6 km), 달보다도 조금 작다. 그리스 신화에 등장하는 에우로페의 이름을 따 붙여졌다(신화에서 제우스가 구혼한 상대이며 크레타의 여왕이 되었다). 하지만 이 이름은 20세기 중반까지는 쓰이지 않았다. 유로파는 태양계에서 상대적으로 표면이 부드러운 천체 가운데 하나다(그림 3 참조). 맨틀 층에는 따뜻한 액체가 있으며, 그 깊이는 100km 정도로 추정된다. 매끄러운 표면은 얼음으로 이뤄져 있고, 이론에 따르면 얼음 아래에는 물이 있을 것으로 생각된다. 표면이 매우 젋고 매끄럽다는 사실로부터 따뜻한 지하 바다가 있다고 예측되며, 어쩌면 그 바다에는 생명체가 존재할지도 모른다고 생각하는 과학자들도 있다. 조석가열 때문에 유로파 지하에 열이 유입돼 그 결과, 맨틀이 얼어붙지 않고 액체 상태로 존재할 수 있을 거라고 추정된다. 한편 유로파의 지하에 생명이 존재할 수 있다고 보는 과학자들도 있다. 이처럼 유로파 지하에 생명체가 있다면 지구의 열수분출공이나 보스토크호와 비슷한 환경에 서식하며 지구의 심해의 미생물과 비슷할 거라고 추측하고 있다. 유로파에 생명이 산다는 증거는 아직 발견되지 않았지만, 앞으로 탐사선을 보내는 계획은 있다.

유로파 표면을 가로지르는 줄무늬는 반사도가 다른 지형(albedo feature)이라고 추정된다. 즉, 표면에서 대조적으로 반사도가 다른, 두드러지게 밝거나 어두운 지역이다. 유로파 표면에 남은 충돌구는 대체로 젊은 편인데, 일부 과학자들은 목성의 조석력 때문에 나타난 결과라고 말한다. 실제로 유로파의 한쪽 면은 계속 목성을 향하며, 그 결과 새로운 지각이 오래된 지각을 덮는 일이 되풀이 된다는 것. 또한 유로파의 갈라진 틈은 화산활동의 결과로 생각되며, 심해의 열수공이 그 원인으로 지목된다. 그 틈(선)은 붉은 갈색이데, 이론에 따르면 황 때문에 이러한 색상을 따는 것으로 생각되지만, 아직 직접탐사가 이뤄지지 않았기 때문에 확인할 수 없다. 유로파는 주로 규산암으로 이뤄졌으며 아마도 철 핵을 가지고 있을 것으로 생각된다. 한편 유로파는 산소로 된 얇은 대기를 가지고 있다.

갈릴레오위성 중 세 번째로 목성에 가깝다. 그리스 신화의 가니메데스에서 이름이 붙여졌는데, 가니메데스는 신들에게 술을 따르는 사람이다. 지름 5262.4 km로 태양계에서 제일 큰 위성이며 수성보다 크지만, 질량은 수성의 질량의 1/2에 불과하다. 가니메데는 상당 부분 얼음으로 이뤄져 있기 때문에 상대적으로 가볍기 때문이다. 가니메데는 자기권을 가진 것으로 알려진 유일한 위성이며, 액체 핵의 대류 때문에 만들어진 것으로 보인다. 가니메데는 주로 규산암과 얼음으로 이뤄져 있다고 생각된다. 소금물 바다는 표면으로부터 약 200km 아래에 존재하는 것으로 보이며, 얼음 층 사이에 끼워져 있다. 따라서 종전의 이론이 예측하는 것보다 가니메데는 과거에 철 핵이 더 많은 열을 만들어냈어야 한다. 가니메데의 표면은 두 가지 지역, 즉 높고 젊은 지역, 그리고 홈과 능선이 있는 오래 된 지역으로 이뤄져 있다(그림 3 참조). 과거 가니메데에는 충돌구가 많았지만, 대부분은 형성 이후 얼음 지각 때문에 사라졌다. 엷은 산소로 이뤄진 대기가 있으며, O와 O₂, 아마도 O₃(오존), 그리고 미량의 수소원자로 구성됐을 것으로 보인다.

갈릴레오위성 가운데 네 번째로 4개의 위성 가운데 목성의 가장 바깥 궤도를 공전한다. 4개의 위성 중 두 번째로(지름 4820.6 km), 태양계에서 세 번째로 큰 위성이다. 그리스 신화에서 아르카디아 왕의 딸이며 아르테미스의 사냥 동반자였다. 칼리스토는 다른 갈릴레이 위성들과 궤도공명을 일으키지 않으며, 목성의 조석력에 의한 가열(tidal heating)도 일어나지 않는다. 칼리스토는 암석과 얼음이 같은 비율로 이뤄져 있으며, 밀도는 갈릴레이 위성 중 가장 낮다. 칼리스토는 태양계에서 충돌구가 가장 많은 위성 가운데 하나로 대표적으로는 지름 3000 km인 발할라 충돌구가 있다(그림 3 참조). 또한 아주 옅은 대기권이 있다고 추정되며, 예상 구성성분은 이산화탄소와 산소 분자(O₂)이다. 탐사 결과 칼리스토 표면 아래 100km 정도의 깊이에는 지하 바다가 있는 것으로 추정된다. 칼리스토 내부의 바다에는 생명체가 시석하는 가능성이 있지만, 로파보다는 확률이 낮다. 칼리스토는 목성의 방사능으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 미래 인류 탐사에 적합한 천체로 생각된다.

그림 3. 갈릴레오가 발견한 위성들의 구조비교.()

위성의 밀도는 목성으로부터 멀수록 감소하는 경향을 보인다. 칼리스토는 4개의 위성 가운데 밀도가 가장 낮은(얼음과 암석의 중간) 반면, 가장 가깝고 밀도가 높은 이오는 철과 암석 중간 정도의 밀도를 보인다. 칼리스토는 고대의 표면을 그대로 유지하고 있으며, 밀도는 위성 전체에 걸쳐 균일한 것으로 생각된다. 아마도 철 핵 대신에, 바위와 암석이 섞인 핵이 있을 것으로 추측되며, 이것은 갈릴레오위성들이 원래 공통적으로 가졌던 구조일지도 모른다. 그러나 안쪽에 있는 세 개의 위성, 즉 이오, 유로파, 가니메데는 현재 분화의 흔적이 남아 있거나 분화하고 있는 것으로 보인다. 또한 이들 위성은 상당한 표면 변화를 겪었다. 가니메데는 지하 암석층에서 용융 상태에서만 가능한 지각변동의 흔적이 보인다. 유로파의 경우 얼음 지각이 가니메데보다 얇은데, 이것은 최근 일어난 지각변동을 시사한다. 마지막으로 가장 안쪽에 있는 이오는 활동성 유황화산과 얼음의 흔적이 있다. 이 모든 증거는 갈릴레오위성들이 목성의 영향을 받아 가열되었다는 것을 뜻한다. 과학자들은 위성이 목성에 가까울수록 거대한 중력 때문에 조석가열이 일어났고 그 결과 뜨거워졌다는 것이다. 내부 얼음이 녹는 과정은 칼리스토를 제외한 모든 위성에서 일어났으며, 열 때문에 얼음과 철이 분리되면서 얼음은 표면으로 이동하는 한편, 철은 가라앉아 핵을 이뤘다는 시나리오다. 그 결과 가니메데에서는 두껍고 단단한 얼음 지각이, 이보다 따뜻한 유로파에서는 얇은 얼음 지각이 만들어졌다. 그러나 이오에서는 오래 전, 바위가 녹아 남은 물이 우주공간으로 날아가 사라졌다. 이처럼 이오에서는 가장 극단적으로 가열 과정이 진행된 것으로 추정된다.

4개의 갈릴레오위성은 소구경 망원경으로 볼 수 있을 정도로 밝다. 위성이 목성에서 멀리 떨어져 있을 때에는 쌍안경으로도 볼 수 있다. 갈릴레오위성들의 겉보기등급은(목성이 태양과 충의 위치에 있다면) 4.6~5.6에 달한다. 이들 위성이 목성과 가장 멀어졌을 때 최대이각은 2~10분이며, 맨눈으로 확인하기는 어렵다. 가니메데와 칼리스토가 가장 멀리 목성에서 떨어지면 맨눈으로 볼 수 있는 가능성은 있다.