태양계에서 달을 가장 많이 거느리고 있는 행성은?

과학기술

태양계에서 달을 가장 많이 거느리고 있는 행성은?
[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] 목성, 가장 많은 달을 거느린 행성으로 등극

2023.02.20 09:00 김민재 리포터

태양계에서 가장 달을 많이 거느리고 있는 행성은 무엇일까?

토성은 아름다운 고리와 신비로운 외형으로 유명하지만, 우리 태양계에서 가장 많은 달을 거느린 행성으로도 유명하다. 참고로 토성과 같은 태양계의 바깥쪽 행성들은 위성을 많이 거느리고 있다. 2022년 11월을 기준으로, 목성과 토성은 달(위성)이 80개가 그리고 83개로 알려져 있으며 천왕성과 해왕성은 각각 27개 그리고 14개로 알려져있다. 왜행성인 명왕성조차도 위성을 5개나 가지고 있다. 따라서 2022년 말 태양계에서 가장 많이 달을 거느리고 있는 행성은 토성이다.

토성의 위 기록은 아쉽게도 2021년에서 2022년 사이에 관측된 목성과 목성계의 추가 관측으로 깨지게 되었다. 아직 미항공우주국(NASA)의 Archive에 업데이트되지는 않았지만, 2023년 2월 현재 목성의 달 개수는 토성의 그것을 이미 넘어섰으며 9개나 많은 숫자를 자랑하고 있다. 과연 무슨 일이 있었던 것일까?

달이 12개나 늘어난 행성의 왕, 달의 왕으로도 등극

목성은 크기가 지구의 10배가 넘으며, 질량은 무려 300배가 넘는다. 또한 목성은 태양계 내 다른 모든 행성의 질량을 모두 합친 것에 약 2.5배에 이를 정도로 무거운 크기를 자랑하고 있다. 이 때문에 목성은 태양계가 형성된 이후로 높은 질량이 유발하는 강한 중력으로 인해서 큰 영향력을 행사하고 있다. 예를 들면 태양과 목성 중력이 균형을 이루는 라그랑주 포인트 L4와 L5에 수많은 소행성을 ‘잡아두고’ 있으며 지구 근처로 다가오는 위험한 소행성들이나 혜성들 역시 목성의 강한 중력을 이용하여 여지없이 막아주고 있다. 이 때문에 목성은 ‘행성의 왕’이라는 별명이 붙었으며, 목성의 영어 이름 역시 로마신화에서 하늘의 신인 유피테르(Iuppiter 혹은 주피터 Jupiter)의 이름을 따서 명명되었다. 이러한 행성들의 왕이 이제는 달의 왕이라는 별명까지 얻게 되었다.

2022년 12월, 소행성체 센터(MPC: the Minor Planet Center)는 이전에 보고되지 않았던 목성의 12개 위성의 궤도를 발표했다. 최근 2021년에서 2022년 사이에 관측된 목성계에 대한 관측 자료를 제출한 카네기 과학 연구소의 스콧 셰퍼드 박사(Dr. Scott Sheppard)는 위 발견으로 인해 목성 위성 목록은 92개가 되었으며, 이전 집계(80개)보다 15%나 증가했다고 보고했다. 이는 목성 주변을 공전하는 천체들의 궤도 계산을 통해서 이루어졌다. 이를 통해서 목성의 위성 개수는 토성의 위성 개수였던 83개를 훌쩍 넘었고, 목성은 행성의 왕뿐 아니라 달의 왕으로도 등극하게 되었다.

또한, 셰퍼드 박사는 위 관측으로 인해서 사라졌다고 여겨졌던 목성의 위성인 S/2003 J 10을 다시 확인했다고도 발표했다. 18년 만에 새롭게 관측된 이 위성은 (지난 관측은 2003년) 지름이 2km 정도밖에 되지 않으며, 목성으로부터 대략 2,300만 km나 떨어진 곳에서 목성을 지구 시간으로 716일 만에 한 바퀴 공전하는 것으로 드러났다. 새로 발견된 위성들은 모두 S/2003 J 10처럼 작고, 목성으로부터 멀리 떨어져 있어 목성을 공전하는 데 최소 340일 이상이 걸린다.

새로이 발견된 목성의 달들

목성의 위성은 크게 규칙 위성과 불규칙 위성 등 두 가지 군으로 나눌 수 있는데 규칙 위성들은 모두 순행궤도(Prograde)로 목성을 돌고 있으며 대부분 목성에서 가까운 궤도로 목성을 돌고 있는 위성들이다. 갈릴레오 위성들(이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토)도 규칙 위성에 해당한다. 규칙 위성들은 크기가 대부분 크다. 가니메데는 심지어 수성보다도 큰 크기를 자랑하고 있다. 반면, 불규칙 위성은 크기도 작고 대부분 역행궤도(Retrograde) 로 멀리서 목성을 돌고 있다. 이 위성들은 대부분 물리적 특징이 비슷해서 목성의 궤도에 잡힌 소행성의 충돌로 인해서 생긴 위성들로 예측된다.

목성의 대표 위성들, 특히 갈릴레오 위성들은 엄청난 크기를 자랑하고 있다. © Primefac/Wikimedia Commons

갈릴레이 위성들보다 외부에서 목성을 순행으로 도는 위성들은 크게 다시 두 그룹으로 나뉜다. 목성에서 1,100만~1,200만km 떨어진 궤도를 도는 히말라야 그룹엔 9개 위성이 포함되어 있으며, 1,700만km 떨어진 궤도에서 목성을 도는 카르포 그룹이 있다. 이번 발견으로 2개의 히말라야 그룹 위성과 1개의 카르포 위성이 추가되었다. 다른 순행궤도 위성은(예 – 테미스토 Themisto: 위성 그룹에 포함되어 있지 않음) 발견되지 않았다. 셰퍼드 박사는 특히나 테미스토 근처의 천체를 매우 자세히 관측했지만, 아무것도 찾을 수 없었으며 지름이 3km 정도보다 작은 천체들은 관측이 불가능하다고 전했다.

이는 목성이 태양 빛을 산란하는 빛이 너무 강해서 목성의 안쪽 궤도 위성들을 감지하기가 쉽지 않기 때문이다. 이 때문에 이번 관측에서도 대부분 바깥쪽 궤도의 위성들이 탐지되었고 2000년 이전에 5개의 위성 그리고 이후에는 8개의 위성만 발견되었다.

특히, 새 위성 12개 중 순행궤도 위성 3개를 제외한 9개 위성은 역행궤도 위성으로 궤도가 550일 이상인, 가장 바깥쪽에 있는 목성 위성 71개 무리에 속하게 되었다. 참고로 목성을 돌고 있는 안쪽 위성들과 달리 바깥쪽 위성들은 대게 역행궤도인 것으로 말미암아, 이들이 역행궤도 중 목성에 잡혔을 것으로 예측된다. 모든 역행궤도 위성 중 5개만이 8km 정도보다 큰 점은 이들의 충돌로 인해서 위성들이 생겨나며 이들의 크기가 더 작아졌음을 암시해주는 결과이다.

목성의 위성 궤도 개략도, 안쪽부터 갈릴레오 위성들, 순행그룹 위성들 그리고 역행그룹 위성들 (새로 발견된 위성들은 포함되지 않음). 목성과 궤도 거리는 스케일링(축척) 되지 않음. © Carnegie Inst. for Science / Roberto Molar Candanosa

목성의 위성 탐사 계획

위성의 관측은 실제로 쉬운 일이 아니다. 관측을 분석하고 궤도를 계산하는 것은 소행성이나 혜성의 그것보다 훨씬 더 복잡하다. 행성을 공전하는 달의 궤도는 행성의 중력과 태양의 중력 모두 의존하고 있기 때문이다. 또한 달이 실제로 행성을 공전하고 있는지 확인하기 위해서는 완전한 궤도의 추적이 필요한데 바깥쪽 위성은 목성을 공전하는 데 대략 2년 정도 걸리기 때문에 짧은 시간에 추적할 수 있는 천체들이 아니다.

천문학자들은 특히, 목성에서 먼 역행궤도 위성들과 다르게 아직 정확한 기원이 밝혀지지 않은 가까운 순행궤도의 위성들에 큰 관심이 있다. 특히, 2023년 4월에 발사 예정인 유럽우주국(ESA)의 쥬스 미션(JUICE: Jupiter Icy Moon Explorer)이나 2024년 말 발사 예정인 NASA의 유로파 클리퍼(Europa Clipper) 그리고 2030년대에 발사 고려 중인 중국의 목성 위성 임무 등이 이를 자세히 파헤칠 예정이다.

달을 가장 많이 거느린 태양계 행성은 언제든지 바뀔 수 있다

물론 앞으로 토성이 다시 달의 왕으로 등극하지 못하리란 법은 없다. 아직 발견되지 않은 작은 위성들이 얼마나 있을지는 아무도 모르기 때문이다. 특히 크기가 약 3km 정도 되는 매우 작은 위성은 토성 근처에서 3배 정도 더 발견되었다. 이들은 수억 년 전에 더 큰 달끼리의 충돌로 인해서 만들어졌다고 예측되고 있지만, 이처럼 작은 천체들은 아직 세밀하게 추적되지 못하고 있다.

천문학자들은 이러한 작은 천체들을 모두 추적한다면 토성이 다시 달의 왕으로 등극할 가능성이 있다고 예측한다.

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