목성의 위성(木星- 衛星, Moons of Jupiter)
2023년 3월 기준 총 95개로, 목성은 태양계에서 2번째로 많은 위성을 지닌 행성이다. 이 때문에 목성은 간혹 "작은 태양계"로 불리기도 한다. 위성들 중 가장 큰 위성들은 4개의 갈릴레이 위성들로, 1610년에 갈릴레오 갈릴레이와 시몬 마리우스가 발견하였으며 태양이나 지구를 돌지 않는 천체 중 최초로 발견된 천체들이다. 19세기 말부터, 더 작은 크기의 위성들이 발견되기 시작했고 그리스 신화의 제우스와 관련된 이름들이 붙여졌다. 갈릴레이 위성들은 목성의 위성들의 총 질량 중 매우 많은 비중을 차지하고 있으며, 나머지 75개와 고리를 합친다고 해도 질량비는 고작 0.003%밖에 되지 않는다.
목성의 위성들 중 8개는 순행 규칙 위성으로, 궤도 경사가 크지 않고 거의 원형에 가까운 궤도를 돌고 있다. 갈릴레이 위성들은 자체적인 중력으로 인해 구형을 띄고 있고(정역학적 평형), 따라서 만약 태양 궤도에 있었다면 왜행성으로 분류되었을 가능성도 있다. 갈릴레이 위성을 제외한 나머지 4개의 순행 규칙 위성들은 크기가 더 작고, 목성과 거리가 더 가까우며, 목성의 고리를 형성한다고 추정된다. 나머지 위성들 전부는 불규칙 위성으로, 순행 또는 역행 운동을 하며, 목성과의 거리가 더 멀고 궤도 경사와 이심률이 크다. 이 위성들은 태양 궤도를 돌고 있었으나 목성의 중력에 의해 포획되었다고도 추측되고 있다. 2003년 이후 18개의 불규칙 위성들이 발견되었고, 아직 이름이 붙여지지 않았다.
성질
위성들의 물리적 성질 및 궤도 성질은 매우 다양하게 나타난다. 갈릴레이 위성 모두는 지름이 3100 km가 넘고, 가장 큰 위성 가니메데는 수성보다 크다. 반면 이 이외의 목성의 위성들은 전부 지름 250 km 이하로, 대부분은 간신히 5 km를 넘는다. 위성들의 궤도 모양은 거의 완벽한 원 궤도에서 심하게 기울어지고 찌그러진 것까지 매우 다양하며, 많은 수의 위성들이 목성의 자전 방향과 반대 방향의 궤도를 돌고 있다(역행 운동). 공전 주기는 최소 7시간(목성의 자전 주기보다 빠름)부터 최대 3천 시간(3년) 이상이다.
형성과 진화
목성의 위성들 간의 상대적인 질량. 유로파보다 작은 위성들은 이 정도의 규모에서는 보이지 않으며, 전부 합친다고 해도 100배가량 확대해야 보인다.
목성의 규칙 위성들은 원시 행성계 원반과 유사한, 목성 주위를 둘러싼 먼지와 가스의 원반에서 형성되었다고 거의 확실시되고 있으며, 이 위성들은 행성계 형성 초기에 만들어졌던 대형 위성들의 잔해일 가능성도 있다고 추정되고 있다.
시뮬레이션을 통해 얻은 결과에서는, 어느 특정한 지점에서 원반의 질량이 상대적으로 컸다면 시간이 지남에 따라 원반에 이끌리는 물질의 양이 매우 크게(몇십 퍼센트가량) 증가하게 되는데, 현재 목성의 위성들을 설명하기 위해서는 오직 2% 정도의 질량만이 필요하다. 따라서, 목성 형성 당시에는 크기가 갈릴레이 위성 정도인 위성들이 여러 차례를 거쳐 형성되었으리라 추정된다. 각 세대의 위성들은 원반과의 마찰로 인해 목성 방향으로 낙하하며, 이 와중에 외곽에서는 새로운 위성이 형성된다. 현재(5번째) 위성이 형성될 무렵, 원반의 밀도는 매우 낮아져 위성들의 궤도에 영향을 줄 수 없게 되었다 하지만 현재의 갈릴레이 위성들은 여전히 영향을 받았었고, 궤도 공명을 통해 불완전하게나마 보호되고 있다. 따라서 위성 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토는 현재까지 존재하며, 가니메데의 질량이 이오나 유로파보다 큰 점으로 보아 가니메데가 유로파나 이오보다 목성 쪽으로 더 빠르게 이동하였음을 시사한다.
바깥쪽의 불규칙 위성들은 원반이 아직 바깥쪽의 위성들에 영향을 주어 붙잡을 수 있을 즈음 소행성이 포획된 것이라고 여겨지며, 대부분은 포획 과정에서 힘을 받아 부서지거나 다른 소행성들과 충돌하여 현재의 위성들이 만들어졌다고 추측되고 있다.
발견
중국의 옛 천문학자 감덕이 기원전 364년 목성의 위성을 관측했을 수 있다는 주장이 제기되기는 하지만, 관측했음이 확실한 최초 기록은 1610년 갈릴레오 갈릴레이의 관측이다. 1610년 1월, 갈릴레이는 손수 제작한 30배율 망원경으로 네 개의 위성을 관측하였고, 같은 해 3월 이 결과를 출판하였다. 시몬 마리우스는 갈릴레이의 발견 하루 후에 갈릴레이와는 독립적으로 이 위성들을 발견하였지만, 마리우스는 이 결과를 1614년까지 발표하지 않았다. 현재 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토라는 이름은 시몬 마리우스가 처음 제안한 이름들이다. 1892년 바너드가 아말테아를 발견하기 전까지는 추가적인 위성이 발견되지 않았다. 20세기에는 사진술이 발달함에 따라 새로운 위성 발견이 줄을 이었고, 1979년 보이저 탐사선이 목성에 도달하기 전까지 13개의 위성이 발견되어 있었다.
20년 동안 새로운 위성들이 발견되지 않고 있었지만, 1999년 8월부터 2003년 2월까지 과학자들은 민감한 장비를 사용하여 34개의 위성을 발견하고, 추후 이름을 붙였다. 이 위성들은 평균 지름 3 km 이내로, 역행 위성이며 궤도 이심률이 높아 궤도가 매우 찌그러진 위성들이다. 이 위성들 모두는 소행성이나 혜성 등이 포획되어 여러 조각으로 갈라진 것이라고 여겨지지만, 이 위성들에 대해 알려진 정보는 매우 적다. 2003년 이후, 18개의 위성이 추가로 발견되었지만 아직 이름붙여지지는 않았다. 이 위성들을 합산하면, 목성의 위성 수는 69개가 된다. 2022년 기준으로, 목성은 태양계에서 2번째로 위성이 많다.
명칭
갈릴레이 위성(이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토)의 명칭은 시몬 마리우스가 1610년 자신의 발견 직후에 붙인 이름이다. 하지만 이 이름들은 20세기까지 사용되지 않고, 대신 단순히 "목성 I"(Jupiter I), "목성 II", … 또는 "목성의 첫 번째 위성", "목성의 두 번째 위성", … 등으로 불렀다. 다른 위성들이 V (5) ~ XII (12)라는 이름을 부여받고 있을 즈음인 20세기에는 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토라는 이름이 유명세를 타기 시작했다. 1892년에 발견된 "목성 V"는 비공식적으로 아말테아라고 불렸고, 이 이름은 프랑스 천문학자 카미유 플라마리옹이 처음 사용하였다.
1970년대까지 대부분의 천문학 문헌에서는 다른 위성들까지 로마 숫자를 붙여서 표기하였다. 1975년, 국제 천문 연맹(IAU)의 외태양계 위성 명명법 관련 모임에서는 V ~ XIII 위성에 이름을 붙였고, 추후 발견되는 위성들의 이름 규칙 또한 결정하였다. 규칙의 내용은, 추후 발견되는 목성(주피터)의 위성들은 제우스(주피터)가 연정을 품거나 아꼈던 인물들로 결정한다는 것이다. 또한, XXXIV(에우포리에)부터 모든 위성들의 이름은 제우스의 딸의 이름을 따 명명된다.
몇몇 소행성들, 9 메티스, 38 레다, 52 유로파, 113 아말테아, 239 아드라스테아는 목성의 위성들과 이름이 같으며, 두 개의 소행성, 1036 가니메드(Ganymed)와 204 칼리스토(Kallisto)는 국제천문연맹이 철자를 변경하기 전까지는 각각 가니메데(Ganymede), 칼리스토(Callisto)와 이름이 동일했다.
목성 위성 한번에 12개 추가…토성 제치고 다시 1위
태양계 행성 중 가장 크고 무거운 목성의 위성이 한꺼번에 12개 추가됐다.이에 따라 목성 위성 수는 모두 92개로, 토성의 83개를 제치고 태양계에서 가장 많은 위성을 거느린 행성이 됐다.국제천문연맹(IAU) 소행성센터(MPC)는 최근 목성 위성 목록에 카네기과학연구소 천문학자 스콧 셰퍼드의 주도로 발견한 12개의 위성을 추가했다.셰퍼드 관측팀은 2021~2022년 칠레, 하와이 등지의 천체망원경으로 9번째 태양계 행성을 찾는 과정에서 이 위성들을 발견하고 후속 관측을 통해 확인했다. 이로써 목성은 2019년 토성 위성 20개가 한꺼번에 추가되면서 토성에 내줬던 위성 수 1위 자리를 다시 되찾았다.관측팀이 새 목성 위성을 무더기로 발견할 수 있었던 건, 명왕성보다 훨씬 먼 타원 궤도에 있을 것으로 추정되는 9번째 행성을 찾기 위해 이전보다 더 넓은 시야와 더 높은 해상도를 갖춘 강력한 망원경을 이용한 덕분이었다.관측팀은 “극히 먼 곳에 있는 태양계 천체를 찾고 있던 중에 우연히 목성쪽 하늘이 포착됐다”고 밝혔다.
이들 위성은 크기가 1~3km이며 공전주기가 모두 340일을 넘을 정도로 목성에서 매우 먼 곳에 있다. 위성이라고는 하지만 목성과의 거리가 지구~달 거리의 30~50배에 이른다. 특히 12개 중 9개는 공전 주기 550일 이상인 71개의 최외곽 위성군에 속한다.
이 위성들은 가까운 쪽에 있는 위성과는 달리 목성의 자전과 반대 방향으로 공전하고 있다. 이는 큰 천체가 충돌로 쪼개지면서 생긴 파편이 먼 우주에서 날아오다 목성의 중력에 붙잡혀 위성이 됐기 때문으로 추정된다. 역행궤도 위성 중 5개만이 지름이 8km 이상인 점이 이를 뒷받침한다.
새로 발견된 위성 중 3개는 순행 궤도를 도는 13개의 위성군에 속한다. 이 위성들은 목성에 가까운 4대 위성(갈릴레이 위성)과 최외곽에 있는 역행궤도 위성 사이에 있다. 목성의 자전방향과 같은 방향으로 돌고 있는 이 위성들은 목성과 함께 형성된 것으로 추정된다.
새로 발견된 순행궤도 위성들은 오는 4월에 발사될 유럽우주국의 목성 얼음위성 탐사선 주스와 2024년 10월에 발사될 미국항공우주국의 얼음위성 유로파 탐사선의 새로운 탐사 대상이 될 수도 있다.
목성과 토성에는 수성보다 큰 위성도 있지만 큰 천체들간의 충돌로 생성된 작은 위성들이 대다수다. 따라서 아직 찾지 못한 위성들이 있을 가능성이 매우 높다.
이번엔 목성이 토성의 위성 수를 추월했지만 조만간 토성이 다시 위성 수 1위 자리에 올라설 수도 있다. 캐나다 브리티시컬럼비아대 천문학자들은 목성과 토성 주위에서 크기 3km 이하의 천체들을 탐색한 결과, 목성보다 토성 근처에서 3배나 더 많은 물체를 발견했다고 2021년 국제학술지 ‘행성과학 저널’(The Planetary Science Journal)에 발표했다. 연구진은 “3㎞ 이상의 위성을 모두 찾아낼 수 있다면 토성은 태양계의 나머지 행성들의 위성보다 더 많은 위성을 갖게 될 것”이라고 말했다.토성보다 더 멀리 있는 천왕성과 해왕성의 위성은 현재 각각 27개, 14개가 발견됐다. 이 행성들에도 천체 충돌 과정에 작게 부서진 위성들이 더 있을 가능성이 크다. 지구보다 안쪽에 있는 수성과 금성에는 위성이 없다, 화성에는 두 개의 위성(포보스, 데이모스)이 있다.