이오

1610년 갈릴레오 갈릴레이가 가니메데, 칼리스토, 유로파와 함께 발견했다. 발견 당시 갈릴레오는 이탈리아 메디치 가문을 기리는 뜻에서 이 4개 위성을 '메디치의 행성들'이라고 부르기도 했으나, 1800년대에 각자의 이름을 갖게 되었다. 4개 위성을 통칭해 갈릴레이 위성이라고 부른다.

1676년 올레 뢰머(Ole Christensen Rømer)는 이오를 통해 빛의 속도가 유한함을 처음으로 밝혔다. 목성에 의해 이오가 가려지는 식(eclipse) 현상에 걸리는 시간이 지구와 목성 사이의 거리에 따라 달라지는 것을 발견하고, 그 차이로부터 빛이 지구 공전궤도 지름만큼의 거리를 지나는 데 걸리는 시간을 계산했다.

1979년에는 보이저 탐사선이 최초로 이오의 화산활동을 관측하였으며, 이오는 현재까지 태양계에서 가장 활발한 화산활동을 보이는 천체로 알려져 있다.

그림1. 이오(출처: )

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평균 지름 약 3643 km로 지구의 달보다 조금 크다. 밀도는 3.528 g/cm³로, 암석형 행성들처럼 규산염질의 암석과 철 등으로 구성되어 있다. 지각 아래에는 암석질의 지각과 감람석질의 맨틀, 철질의 핵이 있다.

목성으로부터 42만 km 떨어져서 1일 18시간 27분에 한 번씩 공전한다. 이오의 공전궤도 반지름이 지구와 달 사이의 거리인 38만 5천 km보다 조금 크지만, 목성의 중력이 지구에 비해 매우 강하기 때문에 지구의 달보다 공전 주기가 훨씬 짧다. 목성에 조석고정되어 있어 자전주기와 공전주기가 같고 한쪽 면이 항상 목성을 향한다.

이오는 목성 외에도 유로파와 2: 1, 가니메데와 4: 1 궤도 공명을 보인다. 이러한 궤도 공명 때문에 이오에 목성, 유로파, 가니메데의 조석력이 복합적으로 작용하고 지질 활동이 활발하게 일어난다. 조석작용으로 인해 이오가 부풀었다 줄어들기를 반복하는데, 이때 표면의 높낮이가 최대 100 m까지 변한다. 이 과정에서 맨틀과 핵의 일부가 녹을 만큼 내부의 온도가 증가하고, 이로 인해 표면의 지질 활동이 활발히 일어난다.

지하 50 km 부근에 두께 수십 km, 온도 1200 도에 이르는 마그마 바다가 있을 것으로 보인다.

수백 개의 화산이 존재하며, 때때로 수 km 높이까지 용암, 수백 km 높이까지 가스와 암석을 분출하기도 한다. 지구의 칼데라와 유사한 파테라라는 화산 지형도 400여 개 이상 관측되는데, 그 크기가 200 km에 달하는 것도 있다. 파테라에서 흘러나온 용암이 수 km까지 뻗어 있다

표면이 주로 이산화황 얼음으로 되어 있으며 물은 보이지 않는다. 어두운 부분은 주로 철질의 광물로 이루어져 있다. 그 외에도 화산 활동의 결과물인 현무암과 황 화합물 등 다양한 물질이 표면을 뒤덮고 있어 다채로운 색을 띤다.

화산 외에도 지각 활동으로 생성된 산이 100여 개 이상 존재하며, 높이가 최대 17 km에 이른다. 산기슭에 큰 규모의 산사태 퇴적물이 있는 경우가 많다. 지각에서 이산화황 등이 분출되어 산 부근의 지대를 약화시키기 때문으로 생각된다.

표면의 나이는 수백만 년에 불과할 것으로 추정되며, 운석구덩이가 전혀 보이지 않는다. 운석이 충돌하더라도 화산 분출물과 지각 활동이 그 흔적을 금방 지워버리기 때문이다.

그림2. 뉴호라이즌사 탐사선이 관측한 이오 트바스타 파테라의 분출(출처: )

주로 이산화황(SO₂), 일산화황(SO), 염화나트륨(NaCl) 등으로 구성된 얇은 대기가 있다. 화산을 통해 표면으로 분출된 이산화황 등이 태양빛을 받아 승화되며 대기 밀도를 유지하는 것으로 보인다.

오로라가 관측된다. 중성의 산소 및 나트륨(소듐) 원자와 이산화황 분자 등이 목성 자기장에 의해 들뜬 상태의 전자와 상호작용해 발생하는 것으로 추정된다.

이오의 궤도가 목성 자기권 안쪽에 있기 때문에, 목성이 빠르게 자전할 때 강력한 자기장이 이오의 표면 물질이 초당 1톤 가량의 율로 휩쓸려 나가 이오 근처에 중성 구름을 만든다. 이 구름을 이루는 물질 일부가 목성 자기장 안에서 이온화되면서 이오의 궤도상에 얇은 도넛 모양의 플라즈마 대를 형성한다.

이오가 목성의 강력한 자기장을 가로지르며 지나갈 때 40만 볼트, 3백만 암페어나 되는 강력한 전류가 생성되는데, 이 전류가 자기력선을 따라 목성 극지방으로 흘러 들어가면서 번개와 오로라를 발생시킨다. 이를 목성 자체에 의한 오로라와 구별하여 '이오의 발자국 오로라'라고 부른다. 이러한 발자국 오로라는 목성의 다른 위성에 의해서도 발생할 뿐 아니라 토성 등 다른 행성계에서도 볼 수 있는데, 목성의 자기장이 매우 세고 화산 활동을 하는 위성 이오가 매우 가까이에 있기 때문에 가장 뚜렷하게 관측된다.