과학에세이(3)
제2의 태양, 목성

태양계의 5번째 행성이며, 태양계의 행성 중 가장 부피가 크고 무겁다. 반지름은 지구의 11.2배, 부피는 지구의 1300배가 넘는다. 질량은 지구의 318배다. 부피에 비해 질량이 작은 이유는 암석형 행성보다 밀도가 낮은 성분들이 주요 구성성분인 가스형 행성이기 때문이다

목성(Jupiter)은 태양계에서 가장 큰 행성이다. 공전주기는 약 12년이며 자전주기는 10시간이다. 지구보다 300배나 무거우면서도 지구보다 두 배나 빨리 자전하므로 적도 부분에서는 커다란 원심력을 받는다. 때문에 목성은 적도 부분이 조금 부풀은 모습을 하고 있다.

표면 중력은 지구의 2.5배, 공전 주기는 12년이다. 태양계의 행성 중에서는 겉보기 등급이 금성 다음으로 밝다

목성의 표면은 지구와 같이 딱딱한 껍질이 아니므로 우리는 목성의 표면에 내릴 수가 없다. 우리가 볼 수 있는 목성의 표면도 수소와 헬륨으로 된 엄청나게 두터운 대기와도 같은 가스층일 뿐이다. 전체적으로 볼 때 목성의 물질과 밀도는 태양과 유사하다. 토성과 마찬가지로 목성에도 자그마한 고리가 있다.

태양계는 태양과 목성의 쌍둥이

태양계에는 태양을 중심으로 9개의 행성이 있다. 물론 최근에는 명왕성을 행성에서 제외하여 8개의 행성으로 분류하기도 한다.

태양계에 있는 행성중에서 가장 큰 것이 목성이다. 흔히 우리는 목성을 우리 지구보다 큰 행성쯤으로 생각한다. 그러나 목성은 크기에서 다른 행성을 월등히 압도하고 있을 뿐 아니라 많은 면에서 여타 행성과는 다르다.

목성은 4개의 거대한 위성을 비롯하여 총 18개의 위성을 거느리고 있다. 목성계 자체는 작은 행성계를 이루고 있어 태양계의 축소판과도 같다. 태양계 내에서 태양이 차지하는 질량비는 99.87%이다. 그렇지만 태양을 제외하고 행성계만 고려한다면 목성은 태양계내 전체 질량의 70% 이상을 차지한다.

즉 목성의 질량은 다른 모든 행성들과 위성, 혜성, 소행성, 등의 질량을 합한 것의 2.5배나 된다. 목성은 지구에 비하여 지름이 12배, 질량은 무려 318배나 된다. 만약 태양계 밖에서 태양계를 관찰한다면 태양계가 태양과 목성으로 이루어진 이중성이라고 생각할 것이다. 목성은 지구의 형이 아니라 지구의 삼촌쯤 되는 것 같다.

별이 될 번한 목성

목성은 영하 100도가 넘는 매우 추운 곳이다. 태양으로부터 지구보다 다섯 배나 멀리 떨어져 있으므로 태양 빛의 양이 지구의 4%밖에 되지 않기 때문이다. 그러나 목성이 지구나 화성같이 작았더라면 지금보다도 훨씬 차가운 행성이 되었을 것이다. 대부분의 행성이 태양 빛을 반사하여 다시 외부로 방출하지만 목성은 태양에서 받는 에너지보다 더 많은 양을 방출한다. 이것은 목성의 핵이 아직도 계속 수축하면서 발생하는 열 때문이다.

지구와 같은 행성(planet)은 스스로 빛을 내지 못한다. 목성도 물론 스스로 빛을 내지 못하는 행성이지만 태양과 비슷한 성분으로 이루어져 있으며 목성이 더 컸더라면 태양과 같은 별이 될 수도 있었을 것이다.

태양의 중심부에서는 수소를 헬륨원자로 바꾸는 핵융합반응에 의하여 에너지가 만들어지는데 그러한 반응이 일어나기에는 너무 작아 별이 되지 못한 것이다. 목성의 질량이 태양의 0.1%이므로 지금보다 약 80배가 더 많았더라면 목성도 별이 되었을 것이다.

비록 별이 되는데 실패했지만 목성은 상당부분 별의 특징을 가지고 있다. 내부도 다른 행성에 비하여 매우 뜨겁다. 내부의 열은 완만한 대류작용을 통해 외부로 방출된다. 따라서 목성은 태양으로부터 받아들인 에너지의 거의 두 배에 달하는 에너지를 우주공간에 보내고 있다. 가시광선은 내지 못하지만 적외선 방출의 내용으로 보아 목성을 작은 별이라고 생각하는 것도 터무니없는 것은 아니다.

목성은 또 다른 작은 태양계

비록 목성은 별이 되지는 못하였지만 현재의 목성은 여러면에서 별의 모습을 하고 있다. 목성과 그의 위성은 작은 태양계와 유사한 모습을 보이고 있다. 태양이 9개의 행성을 가지고 있는 것처럼 목성은 18개의 위성을 가지고 있다. 목성위 위성 중에는 행성인 명왕성보다도 더 큰 위성이 네 개나 있다.

그리고 목성 주변에는 소행성대라고 불리는 작은 행성들이 모여있는 곳이 있다. 원래 다섯 번째 행성이 있었는데 목성의 강한 인력 때문에 5번째 행성이 형성되지 못하고 소행성이 되었다는 주장도 있다. 이러한 소행성의 궤도는 아마도 목성의 강력한 인력에 의한 것으로 여겨진다.

◎ 목성의 나이는 46억세

목성의 나이와 그 크기는 그동안 태양계를 연구하던 천문학자들의 최대 수수께끼 중 하나였다. 태양의 현재 질량으로는 목성만한 행성을 자체적으로 만들기에는 에너지가 부족하다고 생각되기 때문이다. 목성만한 질량의 행성이 항성이 생성되고 남은 잔해에서 생성되려면 최소한 3 태양질량 이상의 항성이 있어야 한다.

토성같은 경우는 정말 아슬아슬하게 태양이 생성되고 남은 잔해에서 만들어질 수 있는 질량의 행성이다.

2017년 미국 로렌스-리버모어 국립연구소(LLNL) 등 소속 연구진(책임연구자 토머스 크루이저, Thomas Kruijer)는 “Age of Jupiter inferred from the distinct genetics and formation times of meteorites”라는 논문을 발표하고, 목성은 태양 생성 100만 년 이내에 이미 지구 질량 20배 이상의 거대 행성이었고, 태양 생성 500만 년 이내에 현재 크기로 성장했다는 것을 발표하였다. 이것이 사실이라면 목성의 나이는 태양과 거의 동일한 46억 년인 것이다.

목성의 고리

목성도 토성처럼 고리를 가지고 있다. 먼지 위주이며 워낙 희미하기 때문에 지상에서 관측할 수 없다. 그로 인해 오랜 기간 목성은 고리가 없다고 알고 있었으며, 1979년 보이저 1호가 목성에 근접하여 촬영하면서 고리의 존재가 확인되었다. 현재도 목성의 고리는 우주에 있는 허블 망원경을 동원하지 않으면 관측하기가 굉장히 힘들다고 한다.

과거에는 고리가 1개 있는 걸로 여겨졌지만 현재는 추가로 발견되어 4개에 이르고 있다. 사실 고리 자체는 모든 목성형 행성이 가지고 있다. 다만 토성이 다른 목성형 행성에 비해 유별나게 큰 고리를 가지고 있어서 부각되는 것일 뿐이다.

2020년 7월 3일, 1177호 22면

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