태양계의 목성형 행성 (목성)

 태양계의 바깥쪽에는 거대한 가스 행성과 행성급 크기의 위성이 존재하는 곳을 외행성계라고 한다. 외행성계는 태양과 멀리 떨어져 있기 때문에, 물과 메탄, 암모니아 등의 휘발성 물질이 천체를 차지하는 비중이 매우 크다. 낮은 온도에서 휘발성 물질은 고체 상태로 존재하기 때문이다. 왜행성계는 보통 목성형 행성, 가스 행성이라고 하는데, 이들의 질량은 태양을 도는 8개 행성의 99퍼센트를 차지하며, 지구 질량의 14~318배 정도로 암석 행성에 비해 무겁다. 그러나 상대적으로 밀도는 낮아서 암석 행성의 20퍼센트 정도이다.

 목성형 행성으로는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 있고, 목성과 토성은 대부분 헬륨과 수소로 이루어져 있다. 네 행성은 모두 고리를 가지고 있으나, 토성만 지구에서 고리 관측이 가능하고 나머지 행성은 관측하기가 쉽지 않다.

 목성은 태양계에서 5번째 궤도를 돌고 있는 가장 거대한 행성이다. 태양계 8개 행성을 모두 합쳐 놓은 질량의 약 70퍼센트를 차지하고 있으며 지구의 약 11배의 지름이다. 크기가 크다 보니 목성은 맨눈으로도 쉽게 발견할 수 있을 만큼 밝다. 태양을 중심으로 소행성과 행성 등 여러 천체가 도는 것처럼 목성 주위로 수많은 위성이 돌기 때문에 목성은 작은 태양계로 불린다. 목성을 중심으로 돌고 있는 수많은 위성 중 79개의 위성만 알려져 있으며, 그중에서 가장 유명한 것은 갈릴레이가 최초로 발견한 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토가 있다. 이 위성을 갈릴레이 위성이라고 하며, 갈릴레이가 직접 만든 굴절망원경으로 발견하였다. 갈릴레이 위성 중 목성에 가장 가까운 위성인 이오는 큰 조석력을 받고, 주기적으로 가니메데와 유로파에 의해 힘을 받아 형태가 조금씩 변한다. 그로 인하여 내부에는 마찰이 생기고 열이 발생하게 된다. 탐사선으로 관측한 모습에는 지구의 화산과는 형태가 다른 용암이 흐르고 계속 활동하고 있는 화산이 있으며, 아주 옅은 대기를 가지고 있다. 유로파 위성은 갈릴레오 위성 중 가장 작은 크기로 표면에 구덩이가 거의 없고 철이 주성분인 핵과 규산염 맨틀, 얇은 지각으로 구성되어 있다. 얇은 지각 밑에는 액체 상태의 바다가 있다고 추정하고 있다. 유로파는 이오보다는 작지만 열이 존재하고, 주변 위성들과 목성의 상호작용으로 인하여 생성된 것으로 추정된다. 가니메데 위성은 태양계 안에서 가장 큰 위성으로 목성으로부터 세 번째로 떨어져 있다. 가니메데의 내부는 부분적으로 용융 상태에 있는 철이 주성분인 핵이 있으며, 규산염의 하부 맨틀, 얼음으로 된 상부 맨틀, 얼음 지각으로 구성되어 있다. 융기한 부분과 패인 부분이 표면에 많이 있으며, 과거 지질 활동이 있었다는 것을 추측할 수 있다. 갈릴레이 위성 중 가장 멀리 떨어져 있는 칼리스토 위성은 지름이 약 4800킬로미터이며, 질량은 달의 1.5배가량 된다. 다른 위성과 다르게 내부구조가 얼음과 암석으로 되어 있으며, 지각은 얼음으로 되어 있기 때문에 밀도는 가장 낮다. 충격에 의해 얼음이 녹아 여러 고리가 생겼다가 낮은 온도로 바로 굳어버려 생긴 것으로 알려진 충돌 흔적들이 표면에 있다. 목성의 대기는 수소, 헬륨으로 이루어져 있으며, 적은 양의 암모니아와 메탄이 있다. 목성의 모습을 보면 줄무늬를 찾을 수 있다. 검은 줄무늬는 띠로 저압의 하강 영역에 위치하며, 밝은 줄무늬는 대라고 하며, 온다고 낮고 고압의 상승 영역에 위치한다. 목성 대기에는 가장 유명한 현상인 대적점은 목성의 소용돌이로, 타원 모양으로 크기는 지구보다 훨씬 크다. 목성은 내부 열이 강력하게 발생하고 있는데, 행성이 형성될 때 행성 위에 붕괴하는 가스에서 방출되는 중력 에너지라고 알려져 있다.

 목성은 수소 분자로 이루어진 행성으로 조금만 더 큰 천체였다면 내부에서 핵반응이 일어나 제2의 태양이 되었을 수도 있다. 목성의 질량은 지구의 318배이고 부피는 지구의 약 1400배가 되지만 태양과 비슷한 목성의 밀도는 지구의 약 25퍼센트 정도밖에 되지 않는다. 그 이유는 목성은 태양처럼 밀도가 낮은 수소와 헬륨으로 구성되어 있기 때문이다. 목성 내부로 깊이 들어갈수록 평균 형태의 분자 수소는 압축되어 결합이 파괴되고 궤도 전자들이 원자 사이에 공유한다. 이는 금속의 형태와 흡사하며, 수소가 그러하다. 목성의 가장 깊은 내부에는 얼음이나 암석으로 이루어진 핵이 존재하고, 그 위로 액체금속 수소가 있고 그 위로 헬륨이 작은 물방울 형태로 존재하는 지역과 수소 분자 지역 그리고 대기가 존재할 것이라고 추측된다. 토성에만 고리가 있는 것으로 알려졌으나, 보이저 2호가 목성의 고리를 발견하였다. 목성의 고리가 토성의 고리보다 얇고 밀도도 낮고 희미하여 맨눈으로 확인이 어렵고 작은 암석과 먼지가 구성 물질로 적외선 관측을 통해 밝혀졌다. 목성은 태양계 내에서 가장 빠른 자전을 하며 그로 인해 적도 지방이 타원체로 볼 수 있다. 대부분 기체로 이루어진 목성은 태양처럼 차등 자전을 한다. 적도에서 가장 빠르고 극지방에서 느린 자전이다. 또한 목성은 강력한 자기장을 가지고 있다. 지구는 철과 니켈로 이루어진 용융 상태의 핵이 자기장의 원인은 반면, 목성은 내부의 액체금속 수소가 그 역할을 대신하는 것으로 추측한다. 그리고 지구의 자기장으로 인하여 생기는 오로라 현상 또한 목성에서도 관측이 된다. 전파 관측과 탐사선의 관측 결과 목성의 자기장은 목성의 지름보다 약 210배 정도 더 크고 태양보다 약 22배 정도 더 크다. 지구에서 관측했을 때 달이나 태양의 4배 정도 되는 크기이다.