태양계에서 존재하는 가장 큰 행성인 목성은 그 거대한 크기만큼 수많은 위성을 거느리고 있는 것으로 알려져 있습니다. 현재까지 발견된 위성 개수로는 알려진 것만 2018년 현재 79개에서 한 개가 실종되어 현재는 78개로 태양계 행성 중 토성 다음으로 가장 많은 위성을 보유하고 있습니다. 그리고 이 수많은 목성의 위성들 중에서 가장 대표적인 위성으로 갈릴레이 위성들을 들 수 있습니다. 이 위성들은 이탈리아의 수학작이자 철학자, 물리학자, 과학자, 천문학자인 갈릴레오 갈릴레이에 의해서 발견된 위성들로 이오, 유로파, 가니메데, 그리고 칼리스토 등 총 4개의 위성들이 갈릴레이 위성에 속합니다. 이 위성들은 각기 자신만의 독특한 특징들을 가지고 있는 것으로 유명한데 지하 바다를 품고 있어 생명체의 존재 가능성이 있는 가니메데와 수많은 활화산으로 뒤덮인 불타는 위성 이오, 깊이 100km의 바다가 얼음 지각 밑에 존재할 가능성이 있는 유로파, 그리고 가니메데와 같이 지하 바다를 가지고 있으며 생명체의 존재 가능성을 점칠 수 있어서 주목받고 있는 위성 칼리스토, 이 중 칼리스토에 대해 알아보겠습니다.
1. 칼리스토의 특징
1610년 갈릴레오 갈릴레이에 의해 발견된 칼리스토는 목성의 위성 중에서는 가니메데에 이어 두 번째로 크고 태양계의 모든 위성 중에서는 세 번째로 큰 위성입니다. 칼리스토라는 이름은 그리스 신화에서 등장하는 인물 중 제우스와 사랑을 나누었던 요정 칼리스토로부터 그대로 가져와 명명되었습니다. 이 천체의 질량은 지구의 0.0225배이며 부피는 지구의 0.066배, 표면적은 지구의 0.143배로 위성 중에서는 나름대로 상당한 크기를 자랑합니다. 위성의 궤도 긴반지름은 1,882,700km로 4개의 위성 중 가장 긴 거리에서 목성을 돌고 있으며 공전 주기 또한 16일, 4개의 위성 중 가장 긴 주기를 보이고 있습니다. 칼리스토 궤도의 먼 거리와 가까운 거리가 매우 근소한 차이인 궤도 이심률 0.0074로 이는 칼리스토의 궤도가 거의 원에 근접한 모양을 그리는 것을 의미합니다. 갈릴레오 위성 중 목성에서 가장 먼 거리에 위치한 칼리스토는 나머지 위성들인 이오, 유로파, 가니메데와의 거리도 상대적으로 멀리 떨어져 있는데 그렇기 때문에 칼리스토는 나머지 갈릴레이 위성들과 궤도 공명을 일으키지 않으며 조석 가열의 정도 또한 약한 것이 특징입니다. 하지만 칼리스토는 다른 갈릴레이 위성들과 마찬가지로 목성에 조석 고정되어 한쪽 면만을 보여주는데 칼리스토가 목성에 멀리 떨어져 있지만 여전히 목성으로부터 상당한 영향을 받는 위성임에는 틀림없습니다.
2. 형성과정
칼리스토의 형성에 대한 여러 가지 이론 중 가장 많은 지지를 받고 있는 것은 목성이 형성되고 주변에 남은 기체와 먼지들이 느린 강착을 진행하면서 칼리스토가 생겨났다고 보는 이론으로 이렇게 긴 강착 단계를 거쳐 태어난 행성의 경우 운석 충돌이나 자체 수축, 방사선 붕괴에 의해 형성되는 열이 축적되어 내부를 녹게 만드는데 이는 빠른 행성 분화를 저지하는 역할을 하게 됩니다. 따라서 학자들은 칼리스토가 만들어지는 데 걸리는 시간을 약 100만 년가량으로 추정합니다. 이렇게 강착 이후에 만들어진 칼리스토에서는 방사선 붕괴로 인해 발생한 열이 고체 대류와 열전도 등으로 인해 표면 근처에서 식는 과정을 거치게 됩니다. 강착이란 어떤 천체가 중력적 작용을 통해 가스 등의 물질을 흡수하는 과정을 통해 강착 원반을 만드는 경우를 말합니다. 강착원반이란 응축원반이라고도 하는데 중심천체의 주위로 궤도 운동하여 발생하는 확산 물질에 의해 형성되는 구조입니다. 칼리스토의 주요 구성 성분은 암석과 얼음으로써 구성 비율은 거의 같은 것으로 추정되며 밀도는 목성의 주요 위성 중에서는 가장 낮은 편에 속합니다. 칼리스토의 약 50%를 구성하는 암석 성분이 정확히 어떤 구성 성분으로 이루어져 있는지 아직 알려진 바가 없지만 현재 학자들이 추정하는 바로는 산화철의 함유량이 높은 보통 콘드라이트와 유사한 성분일 것으로 보고 있습니다.
3. 표면구성
칼리스토의 표면은 태양계에서 가장 오래되었고 또 충돌구가 많은 것이 큰 특징이라 할 수 있습니다. 또한 지각 활동이 매우 활발했던 다른 갈릴레이 위성인 이오와는 달리 판이나 화산과 같은 지질학적 활동이 감지되지 않고 있으며 이러한 활동이 일어났던 흔적 또한 발견되지 않았습니다. 이렇든 별다른 지질 활동 없이 수많은 충돌구로 뒤덮여 있는 칼리스토의 표면은 조금 더 자세하게 나누어본다면 충돌구가 많은 평원과 밝은 평원 그리고 밝고 부드러운 평원과 특징적인 충돌구와 관련된 지형들로 나누어질 수 있습니다. 이 중 표면의 대부분을 차지하는 것은 충돌구가 많은 평원들로 이들은 상대적으로 오래된 암권에 속하며 얼음과 암석이 섞여 만들어진 것으로 추정됩니다. 밝은 평원 지역들은 아스가르드 혹은 로폰과 같은 밝은 충돌구가 펠름시스트라고 불리는 충돌구 평원에서 떨어진 부분들을 포함하는 지역이고 이렇게 밝은 평원 지역은 운석 충돌로 발생한 퇴적물들에 의해 만들어진 것으로 추정됩니다. 칼리스토에서 매우 일부분만을 구성하고 있는 밝고 부드러운 평원 지역은 산마루나 해곡 지역에서 주로 발견되고 있습니다. 칼리스토의 충돌구 지름 범위는 매우 다양한데, 현재 추정이 가능한 범위는 0.1km에서 100km 정도이고 일반적으로 지름이 5km가 되지 않는 작은 충돌구들은 바닥이 평평한 모양을 보이며 5~40km 정도 되는 충돌구들은 보통 가운데에 봉우리가 발견됩니다. 지름이 25~100km에 달하는 큰 충돌구들은 가운데에 봉우리가 아닌 깊은 구덩이가 존재합니다. 이렇게 다양한 충돌구가 존재하는 칼리스토에는 잘 알려진 대표적인 충돌구들이 있는데 먼저 발할라라는 이름의 충돌구는 가장 큰 크기를 보여주고 있으며 밝게 보이는 중심 직역을 가운데로 두고 물결이 퍼져나가듯 고리 문양을 보입니다. 밝은 중심 지역의 경우 지름만 약 600km에 달하며 고리 부분의 경우 중심으로부터 최장 1,800km가량 떨어진 부분도 있고 고리 부분의 지름은 약 3,800km로 추정됩니다. 발할라 충돌구에 이어 두 번째로 큰 충돌구는 아스가르드로 충돌구인데 이 충돌구의 지름은 1,600km로 추정됩니다. 이외 1km 이내 규모의 작은 충돌구들도 상당히 많이 있는데 이 작은 충돌구들은 다른 갈릴레이 위성의 충돌구들보다 상대적으로 매우 오래전에 만들어진 것이 특징이기도 합니다. 이러한 작은 충돌구들을 제외하면 표면에 흔하게 존재하는 지형인 작은 혹이나 구덩이 등이 있는데 이 혹과 구덩이들은 어떠한 경로로 만들어지게 되었는지 아직 밝혀진 바가 없습니다. 이렇게 다양한 지형으로 나뉘는 칼리스토는 그 지형의 연대를 충돌구의 개수와 밀도로 추정해 볼 수 있는데 일반적으로 오래된 지형일수록 충돌구의 개수와 밀도가 높으며 보통의 충돌구 평원 지형의 연대는 약 45억 년 정도로 추정되기도 합니다. 이렇게 울퉁불퉁하고 거친 칼리스토의 표면 아래로 약 80~150km에 달하는 암권이 있는데 이 암권은 온도가 매우 낮고 경직되어 있는 것이 특징입니다. 또한 목성과 칼리스토 주변 위성들의 자기장을 연구한 결과 칼리스토의 지각 밑으로 약 50~200km에 달하는 염분을 포함한 지하 바다가 존재하는 것으로 여겨지는데 염분이 포함된 바다가 있다는 것은 생명체의 존재 가능성을 높여주는 아주 중요한 조건이기 때문에 칼리스토는 학자들의 많은 관심을 받게 됩니다.
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