목성 구름 위: 대적점 위를 날고 구름 속으로 내려가기

목성 위 30,000 km에 떠서

목성에는 땅이 없습니다. 목성 사진에서 보이는 것은 모두 구름입니다. 크림색과 황갈색, 갈색 띠, 흰 타원, 그리고 지구보다 넓은 붉은 폭풍이 있습니다. 이 전시는 그 구름 위로 데려갑니다. 처음에는 30,000 km 높이에서 대적점을 내려다보고, 그 옆에는 같은 축척의 지구가 떠 있습니다. 거기서 구름 꼭대기로 내려가 행성에서 가장 빠른 바람을 타고, 밤의 번개를 보고, 북극을 둘러싼 사이클론을 본 뒤, 1995년 갈릴레오 탐사선이 지나간 길을 따라 구름층 아래로 내려가 탐사선의 무선이 끊긴 곳까지 갑니다.

무대의 높이는 「1 bar 높이」에서 잽니다. 기압이 지구 해수면의 평균 기압과 같아지는 높이입니다. 잴 수 있는 표면이 없기 때문에 행성 과학자들은 이 높이를 목성의 해수면처럼 씁니다. 눈에 보이는 구름 꼭대기는 그보다 조금 위, 이 모형에서는 약 10 km 높이에 있습니다. 높이가 음수이면 그 아래, 구름 속이라는 뜻입니다.

구역 여섯 곳이 주요 볼거리로 데려갑니다. 대적점, 북위 24° 제트기류, 북극, 북위 47°의 폭풍 띠, 갈릴레오 탐사선이 들어간 지점, 그리고 적도의 저녁 하늘입니다. 구름 가까이에 있을 때는 키 1.7 m인 사람이 가상의 받침대 위에 앞에 서 있어서 늘 내 크기와 비교할 수 있고, 구석의 축척 막대는 보이는 거리를 사람을 머리부터 발끝까지 눕혀 이은 수로 바꿔 줍니다. 숨은 볼거리 23개, 「사실은…」 카드 14장, 과제 13개가 있습니다. 판독창과 카드, 이 해설의 숫자는 NASA와 그 연구소, 학술 논문에서 가져왔고 출처는 맨 아래에 있습니다.

대적점은 얼마나 클까?

대적점은 적도에서 남쪽으로 약 22° 떨어진 고기압성 폭풍(고기압 소용돌이)입니다. 며칠에 한 번꼴로 시계 반대 방향으로 한 바퀴 돕니다. 크기는 백 년 넘게 측정되어 왔고, 숫자를 늘어놓으면 흐름이 분명하게 보입니다.

지구의 지름은 12,742 km입니다. 1800년대 후반에는 폭풍을 따라 지구 세 개를 나란히 놓고도 자리가 남았습니다. 지금은 지구 하나가 거의 덮습니다. 조작 칸의 연도 막대를 움직이면 1800년대 후반부터 2024년까지 그해에 잰 크기로 폭풍을 다시 그리고, 「크기」 칸은 같은 표를 지구 한 개, 두 개, 세 개 폭의 띠와 함께 그래프로 보여 줍니다.

남북 폭도 줄었지만 더 천천히 줄었습니다. 150년 넘는 측정을 모은 2018년 연구는 긴 축이 해마다 경도로 약 0.194도, 폭이 위도로 약 0.048도씩 줄어든다고 보았습니다. 무대는 길이만 기록된 해에는 이 비율로 폭을 그리고, 카드에도 그렇게 적었습니다. 2023년 12월부터 2024년 3월까지 허블이 여덟 번 찍은 사진에서 붉은 타원의 평균 크기는 약 13,600 × 9,900 km였습니다.

줄어드는 폭풍

NASA가 대적점이 줄어든다는 사실을 널리 알린 것은 2014년입니다. 그때 허블 사진에서 대적점은 약 16,500 km로, 당시까지 잰 것 가운데 가장 작았습니다. 아마추어 천문가들은 2012년부터 줄어드는 속도가 빨라져 해마다 약 930 km씩 줄고, 모양도 타원에서 원에 가깝게 바뀌는 것을 알아챘습니다.

왜 줄어드는지는 아직 풀리지 않았습니다. 폭풍으로 흘러드는 작은 소용돌이들이 폭풍이 받는 에너지와 운동량을 바꾼다는 생각이 있고, 둘레의 제트기류가 폭풍을 천천히 조인다는 생각도 있습니다. 어느 쪽도 결론이 나지 않았고, 무대도 아는 척하지 않습니다.

허블의 최근 관측은 뜻밖의 모습을 더했습니다. 2023년 12월부터 2024년 3월까지 90일 동안 대적점은 일정한 박자로 크기와 모양이 바뀌었습니다. 젤리 그릇처럼 출렁이는 사이, 경도 방향으로 흘러가는 속도도 같은 90일 주기로 빨라졌다 느려졌습니다. 흐르는 속도의 진동은 수십 년 전부터 알려져 있었지만 크기의 진동은 처음 본 것입니다. 연구진은 대적점이 양쪽 제트기류 사이에 꼭 맞을 때까지 계속 줄어든 뒤, 더 둥글고 안정된 모양으로 자리 잡을 수 있다고 봅니다.

크기가 줄어드는 동안 바람은 빨라졌습니다. 2009년부터 2020년까지의 허블 바람 지도를 보면 폭풍 가장자리 바로 안쪽의 「고속 고리」가 최대 8 % 빨라졌고, 평균 속도가 시속 640 km(400 mph)를 넘습니다. 폭풍 한가운데는 훨씬 느리게 돕니다. 대적점 한가운데 위를 낮게 날면 이 잔잔한 중심을 숨은 볼거리로 찾을 수 있습니다.

카시니가 본 그 폭풍일까?

많은 책이 대적점을 1600년대부터 관측해 왔다고 씁니다. 1665년 천문학자 조반니 도메니코 카시니는 거의 같은 위도에서 검은 타원을 보았고, 나중에 「영구 반점」이라 불린 이 점은 1713년까지 관측되었습니다. 그 뒤로 백 년 넘게 기록이 끊깁니다.

2024년 연구는 옛 그림과 측정값을 다시 살폈습니다. 카시니가 본 점의 크기와 흐르는 속도를 지금의 대적점과 비교한 결과, 영구 반점은 사라졌을 가능성이 크고 지금의 대적점은 1831년에 처음 관측되었다고 결론지었습니다. 연구진은 컴퓨터 모형으로 이런 폭풍이 어떻게 생기는지도 시험했는데, 작은 폭풍들이 합쳐지는 것보다 남북의 반대 방향 제트기류 사이에서 길고 얕고 느린 순환이 생기는 쪽이 더 잘 맞았습니다. 이 설명이 맞다면 젊은 대적점은 느리게 돌았고, 작아지면서 바람이 빨라진 것입니다. 이것이 「사실은…」 카드 가운데 하나입니다. 대적점은 오래되었지만 교과서가 말하는 만큼 오래되지는 않았을 수 있습니다.

넓지만 얇습니다

대적점은 지구보다 넓은데, 깊이는 얼마나 될까요? 2021년 함께 발표된 주노의 두 실험이 서로 다른 방향에서 답했습니다.

주노의 마이크로파 복사계는 전파 주파수에 따라 구름 아래 서로 다른 깊이를 봅니다. 이 장비는 폭풍의 뿌리가 물과 암모니아가 응결할 것으로 예상하는 깊이보다 더 아래로 내려간다는 것을 찾았습니다. 그러니 폭풍은 맨 위 구름층의 무늬에 그치지 않고 더 깊은 대기와 이어져 있습니다. 주노의 중력 실험은 폭풍 바로 위를 두 번 지나는 동안 폭풍의 남는 질량이 탐사선을 끌어당기는 아주 작은 힘을 쟀습니다. 이 신호가 깊이에 한계를 정해 줍니다. 대적점은 대기 맨 위 500 km 안에 들어 있습니다.

그러면 폭풍은 깊이(최대 500 km)보다 약 27배 넓습니다(13,600 km). 지름 27 cm, 두께 1 cm인 피자와 비율이 같습니다. 목성의 반지름은 71,492 km이므로 가장 깊은 폭풍도 중심까지 가는 길의 1 %에 못 미칩니다.

왜 붉을까?

확실히 아는 사람은 없습니다. 색은 폭풍 높은 곳, 주 구름 위의 안개 속에 있고 그곳은 햇빛이 셉니다. 한 실험 연구는 목성 상층 대기에 있는 기체인 암모니아와 아세틸렌을 섞어 자외선을 쬐었고, 대적점과 비슷한 붉은 물질을 얻었습니다. 유력한 후보이지 최종 답은 아닙니다. 색도 변합니다. 어떤 해에는 옅은 연어색이고, 어떤 해에는 짙은 벽돌색입니다. 허블은 2014년 이후 대적점이 파란 빛에서는 어두워지고 근적외선에서는 밝아지는 것을 쟀는데, 높은 곳의 안개가 바뀌고 있다는 표시입니다. 무대는 대적점을 모형 색으로 칠했고, 색에 관한 카드에 연구를 적었습니다.

찾아볼 수 있는 작은 폭풍들

대적점은 많은 폭풍 가운데 가장 큰 것일 뿐입니다. 연도 막대를 움직이면 둘레의 지도도 바뀝니다. 이웃 폭풍 몇 개도 저마다 역사가 있기 때문입니다.

타원 BA는 대적점 남쪽, 남위 약 33°에 있습니다. 처음에는 수십 년 동안 행성을 돌던 흰 타원 세 개였습니다. 1998년부터 2000년 사이에 이들이 하나로 합쳐졌고, 2006년까지 합쳐진 폭풍이 붉게 변했습니다. 붉은 점이 생기는 것을 사람이 지켜본 것은 처음이었습니다. 허블이 이 모습을 찍었고, 천문학자들은 「작은 붉은 점」이라는 별명을 붙였습니다. 폭은 큰 이웃의 절반쯤입니다. 그 뒤 몇 해 동안 흰색에 가깝게 옅어졌다가 다시 짙어지기도 했습니다. 연도를 2000년 전으로 맞추면 흰 타원 세 개가, 2005년 뒤로 맞추면 붉은 타원이 보입니다.

더 남쪽인 남위 40°에는 흰 고기압성 폭풍이 줄지어 행성을 돕니다. 「진주 목걸이」입니다. 주노는 2017년에 이 가운데 8개를 찍었습니다. 적도 북쪽, 어두운 북적도 띠 바로 위에는 흰 점 Z라는 오래된 흰 폭풍이 있는데, 2019년 주노가 21번째로 가까이 지날 때 사진에 담겼습니다.

새로 생기는 폭풍도 있습니다. 2020년 5월 31일 남아프리카공화국에서 목성을 찍던 아마추어 천문가 클라이드 포스터가 몇 시간 전에는 없던 밝은 구름 기둥을 남온대 띠에서 찾았습니다. 이틀 뒤 주노가 근처를 지나며 사진을 찍었고, 이 기둥은 「클라이드 점」으로 불리게 되었습니다. 무대에는 2020년부터 나타납니다. 북위 24° 제트기류 옆에서도 몇 년마다 밝은 구름 기둥이 터져 나오는데, 그 분출 하나가 제트기류 구역의 숨은 볼거리입니다.

1994년 혜성 충돌 자국

1994년 7월, 슈메이커-레비 9 혜성 조각 스무 개 넘게 목성 남반구에 차례로 부딪혔습니다. 충돌마다 구름에 짙은 갈색 자국이 남았고, 작은 망원경으로도 몇 달 동안 지구에서 보였습니다. G 조각이 남긴 자국은 지름 2,500 km의 검은 한가운데를 지름 7,500 km의 가는 검은 고리가 둘러쌌습니다. 지구보다는 작아도 웬만한 나라보다 큽니다. 연도를 1994년으로 맞추고 대적점 남쪽을 보면 줄지어 있는 자국을 찾을 수 있습니다. 무대의 정확한 위치는 모형이고, 크기는 NASA가 공개한 G 조각 사진을 따랐습니다.

띠와 구역, 제트기류

멀리서 목성을 보면 줄무늬가 보입니다. 밝은 줄을 구역, 어두운 줄을 띠라고 부릅니다. 구역은 대개 더 높고 차가운 암모니아 얼음 구름이고, 띠는 더 깊고 갈색인 층이 보이는 곳입니다. 그 사이로 제트기류가 흐릅니다. 동쪽이나 서쪽으로 부는 좁은 바람 띠로, 수십 년 동안 위도가 거의 변하지 않습니다. 카시니, 보이저, 허블은 사진마다 구름 무늬를 따라가며 이 바람을 쟀습니다.

구름 꼭대기에서 가장 센 동쪽 제트기류는 북위 약 24°에 있습니다. 2008년부터 2016년까지 허블 측정에서 최고 속도는 초속 144160 m, 시속 약 520580 km였습니다. 몇 년마다 옆에서 밝은 구름 기둥이 크게 분출하면 이 제트기류가 느려지는데, 2016년 10월 분출 뒤에는 초속 약 160 m에서 144 m로 떨어졌습니다. 지구에서는 초속 70 m(157 mph)부터 5등급 허리케인입니다. 목성의 평범한 제트기류는 그 두 배가 넘고, 멈추지도 않습니다.

적도에도 놀랄 일이 있습니다. 눈에 보이는 구름 높이에서 적도 바람은 시속 약 250 km입니다. 2023년 제임스 웹 우주 망원경은 그보다 25~50 km 높은 하부 성층권에서 시속 약 515 km로 부는 좁은 제트기류를 찾았습니다. 아래 구름보다 두 배 빠릅니다.

「바람 선」을 켜면 제트기류가 구름 위에 움직이는 줄무늬로 나타납니다. 동쪽으로 부는 바람은 주황색, 서쪽은 파란색입니다. 함께 뜨는 작은 그래프는 위도별 바람을 보여 주고, 붉은 점이 지금 위치입니다. 무대의 바람 분포는 허블이 잰 주요 정점을 지나도록 매끄럽게 그린 모형이고, 판독창에도 모형이라고 적었습니다.

바람은 얼마나 깊이 불까?

1995년 갈릴레오 탐사선이 대기 속으로 떨어질 때, 무선 주파수의 작은 변화로 바람이 탐사선을 옆으로 얼마나 빨리 밀었는지 알 수 있었습니다. 구름 꼭대기 아래로 갈수록 바람이 세져서 4 bar에서 초속 약 170 m에 이르렀고, 탐사선이 멈춘 약 21 bar까지 그 빠르기가 이어졌습니다. 바람은 얇은 날씨 층이 아니라 깊은 곳까지 불고 있었습니다.

주노는 나중에 제트기류가 목성 중력장을 얼마나 일그러뜨리는지 쟀습니다. 2018년 발표된 답은 제트기류가 약 3,000 km 아래까지 이어진다는 것입니다. 그 깊이에서 수소가 전기를 통하기 시작하고, 흐름이 행성과 함께 돌도록 끌려갑니다. 대적점의 500 km와 비교하면 여섯 배 깊습니다. 이 두 이야기가 「사실은…」 카드에 들어 있습니다.

제트기류 타기

북위 24° 제트기류 위에서 「바람 타기」를 켜면 구름이 나를 동쪽으로 데려갑니다. 계산은 간단합니다. 초속 150 m의 제트기류는 한 시간에 540 km를 가므로 1,000 km에는 두 시간이 조금 안 걸립니다. 「빨리 감기」는 구름과 내 흐름을 1배부터 30,000배까지 빠르게 해서 기다리지 않아도 됩니다. 과제 하나가 1,000 km를 타고 가 보라고 합니다.

목성의 무늬는 대부분 제 위도의 제트기류를 따라 흘러가므로 지금 보는 지도는 한순간의 모습입니다. 타원 BA, 흰 타원, 폭풍 구름 기둥의 무대 위치는 모형 위치이고, 카드에는 대신 실제 관측의 위도와 날짜를 적었습니다.

극지방의 폭풍

2016년 7월 주노가 도착하기 전에는 목성의 극을 바로 위에서 내려다본 탐사선이 없었습니다. 주노가 본 모습은 그때까지 알던 어떤 것과도 달랐습니다. 북극에는 극점에 사이클론 하나가 있고 사이클론 8개가 그 둘레를 돕니다. 하나하나의 지름이 4,0004,600 km이고, 나선 팔이 서로 닿을 만큼 빽빽합니다. 남극에서는 지름 5,6007,000 km인 사이클론 다섯 개가 가운데 하나를 둘러쌉니다. 하나가 큰 나라 하나를 덮을 만한 크기입니다. 그 안의 바람은 시속 약 350 km에 이릅니다.

이 무늬는 해마다 그 자리를 지켰고, 이런 폭풍이 떠돌거나 합쳐지거나 사라질 것이라 예상한 과학자들을 놀라게 했습니다. 그러다 2019년 11월, 주노는 남쪽 고리의 빈틈에 여섯 번째 사이클론이 끼어드는 것을 보았습니다. 다른 것보다 작은 텍사스주만 한 크기였고, 오각형이 육각형이 되었습니다. 나중에 고리는 다시 다섯 개로 돌아갔습니다. 연도를 2019년이나 2020년으로 맞추면 여섯 번째 사이클론이 보이고, 숨은 볼거리 가운데 하나입니다.

북극 구역은 주노의 JIRAM 카메라처럼 파장 약 5마이크로미터의 적외선으로 사이클론을 보여 줍니다. 이 빛에서는 두꺼운 구름이 어둡고 얇은 구름이 빛납니다. 깊은 곳의 열이 틈으로 새어 나오기 때문입니다. JIRAM은 가장 차갑고 높은 구름에서 약 190 K(−83 °C), 가장 깊이 보이는 곳에서 약 260 K(−13 °C)의 밝기 온도를 쟀습니다. 「적외선(5 µm)」을 켜면 행성 어디서나 이렇게 볼 수 있습니다.

번개, 얕은 번개, 머시볼

보이저 1호는 1979년 목성의 밤 쪽에서 번개를 보았습니다. 그 뒤 수십 년 동안 번개의 전파 신호가 이상해 보였는데, 주노의 마이크로파 복사계가 600 MHz에서 번개를 잡으면서 풀렸습니다. 지구 번개가 내는 것과 같은 종류의 전파였습니다. 처음 여덟 바퀴 동안 377번의 번개를 기록했습니다. 대부분 극지방 근처였고, 북쪽에 더 많았으며, 적도 근처에서는 하나도 없었습니다. 지구는 반대입니다. 햇빛이 땅을 데우는 열대에서 번개가 가장 많습니다. 목성의 폭풍은 행성 안쪽의 열로 움직이고, 그 열이 극지방 근처에서 더 쉽게 올라오는 것으로 보입니다.

주노는 다른 종류의 번개도 찾았습니다. 물 구름보다 약 25 km 위, 기온이 영하 88 °C보다 낮은 높은 구름에서 작은 번개가 칩니다. 그곳에는 액체 물이 있을 수 없습니다. 답은 암모니아입니다. 그 높이에서 암모니아는 부동액처럼 작용해, 폭풍이 던져 올린 얼음 알갱이를 물과 암모니아가 섞인 물방울로 녹입니다. 이 물방울과 얼음이 부딪혀 전기를 띠고, 그 결과가 「얕은 번개」입니다. 지구에는 없는 종류의 구름입니다.

같은 폭풍은 아마 이상한 우박도 만듭니다. 주노 과학자들은 이것을 「머시볼」이라 부릅니다. 물과 암모니아가 섞인 진눈깨비 덩어리에 얼음 껍질이 씌워진 것으로, 폭풍 속에서 오르내리며 자라다가 깊이 떨어지면서 암모니아를 함께 끌고 갑니다. 그러면 주노의 마이크로파 복사계가 대기 높은 곳에서 예상보다 암모니아를 적게 찾는 까닭이 설명됩니다. 무대에서는 폭풍 구름 기둥 아래로 떨어지는 알갱이로 보여 주니, 폭풍 구역의 구름 기둥 아래로 내려가 찾아보세요.

폭풍 훨씬 위에서는 주노의 자외선 분광기가 1 bar 높이에서 약 260 km 위에서 아주 짧고 밝은 섬광 11개를 잡았습니다. 하나하나가 수천분의 몇 초만 이어졌습니다. 아래쪽의 강한 번개에 이어 생기는, 지구에서 알려진 스프라이트와 엘프를 닮았습니다. 질소가 많은 지구 대기에서 스프라이트는 붉지만, 수소가 대부분인 목성에서는 파랗거나 분홍빛으로 보였을 것입니다. 무대에서는 밤에 폭풍 구역 위로 가끔 나타납니다.

폭풍 구역 자체는 모형입니다. 북위 47°에 높이 솟은 구름 기둥이 밤과 해 질 녘에 번개로 번쩍입니다. 실제 목성의 뇌우는 지름이 수천 km에 이르기도 하고 구름이 주 구름층보다 훨씬 높이 솟기도 합니다. 무대의 크기는 잰 값이 아니라 잘 보이도록 정한 값입니다.

내려가기: 갈릴레오 탐사선이 잰 것

1995년 12월 7일, 다섯 달 전 갈릴레오 탐사선 본체에서 떨어져 나온 탐사선이 북위 6.5°, 서경 4.4°에서 초속 47.6 km로 목성 대기에 들어왔습니다. 앞쪽의 충격파는 태양 표면보다 밝게 빛났습니다. 약 2분 뒤 열 차폐막으로 속도를 줄인 탐사선은 낙하산을 펴고 구름 속으로 천천히 떨어지기 시작했습니다. NASA 기록에 따르면 무선 연결이 끊기기 전까지 58분 동안 쓸 만한 자료를 보냈습니다. 탐사선의 지름은 1.27 m, 발사 때 무게는 339 kg이었습니다.

탐사선의 대기 구조 측정기는 내려가는 내내 기온과 기압을 쟀고, 그 숫자가 무대에 들어 있습니다. 1 bar 높이에서 약 160 km 위보다 아래로 내려가면 판독창의 압력과 기온은 모형이 아니라 NASA 행성 자료 시스템(PDS)에 보관된 탐사선 자체의 자료에서 읽어 옵니다. 그 기록의 몇 값은 다음과 같습니다.

가장 찬 공기는 위쪽 약 0.2 bar 근처에 있고, 약 110 K(−163 °C)입니다. 그 아래로는 1 km 내려갈 때마다 약 2 °C씩 꾸준히 따뜻해집니다. 기체가 열을 얻거나 잃지 않고 눌릴 때 데워지는 빠르기와 비슷합니다. 1 bar 높이에서 54 km 아래인 5 bar에서 기온이 영상이 됩니다. 마지막 값은 1 bar 높이에서 132 km 아래, 22 bar, 428 K, 155 °C에서 기록되었습니다. 「속」 칸의 「갈릴레오 탐사선과 함께 내려가기」 단추를 누르면 이 하강을 실제보다 60배 빠르게, 1초에 1분씩 다시 보여 주고, 낙하산에 매달린 탐사선이 옆에서 함께 내려갑니다.

구름층 세 개, 그리고 탐사선이 놓친 하나

어떤 기체가 어느 온도에서 응결하는지로 만든 목성 구름의 표준 모형은 큰 구름층 세 개를 예상합니다. 맨 위 약 0.50.7 bar에는 암모니아 얼음 구름이 있고, 지구에서 보이는 흰 구름이 이것입니다. 가운데 약 1.52.2 bar에는 암모니아와 황화수소의 화합물인 황화수소암모늄 구름이 있고, 황갈색과 갈색을 띱니다. 가장 깊은 약 57 bar에는 물 구름이 있습니다. 위쪽은 얼음, 아래쪽은 물방울이고, 큰 뇌우가 여기서 생깁니다. 탐사선이 잰 압력과 높이로 따지면 물 구름층은 1 bar 높이에서 5469 km 아래에 있게 됩니다.

「구름 아래」 구역에서 내려가면 무대는 이 세 층을 모형 높이에 맞춰 둘레에 펼쳐 놓고, 층을 지날 때마다 잠깐 하얗게 가려집니다. 판독창은 지금 있는 층의 이름을 알려 줍니다.

탐사선 자신은 이렇게 가지런한 층을 보지 못했습니다. 탐사선의 구름 측정기는 약 0.460.55 bar에서 암모니아 구름의 얇은 아랫부분만, 0.761.34 bar에서 황화수소암모늄과 맞는 옅은 층 하나만 찾았고, 두꺼운 물 구름은 전혀 만나지 못했습니다. 질량 분석기는 예상보다 물을 훨씬 적게 찾았습니다. 까닭은 떨어진 곳에 있습니다. 지구에서 한 관측을 보면 탐사선은 북적도 띠 가장자리의 맑고 메마른 구멍인 5마이크로미터 열점에, 남쪽 경계에서 약 900 km 안쪽으로 들어갔습니다. 열점은 목성에서 가장 맑고 메마른 곳에 속합니다. 그러니 탐사선의 결과는 열점에 대해서는 많은 것을, 행성 전체에 대해서는 그보다 적은 것을 알려 줍니다. 이것이 「메마른 곳」 카드입니다.

주노가 구름 아래를 보는 방법

카메라는 구름 꼭대기만 봅니다. 더 깊이 보려고 주노는 마이크로파 복사계를 씁니다. 파장이 긴 전파일수록 더 깊은 층에서 나오므로, 여섯 채널을 함께 쓰면 구름 꼭대기에서 수백 km 아래까지 대기를 훑을 수 있습니다. 2017년 발표된 첫 관측은 암모니아가 고르게 퍼져 있지 않다는 것을 보여 주었습니다. 적도에서는 암모니아가 많은 공기가 기둥처럼 솟고, 다른 많은 곳에서는 구름보다 훨씬 깊은 곳까지 공기가 메말라 있습니다. 머시볼과 얕은 번개라는 생각은 사라진 암모니아가 어디로 가는지 설명하려다 나왔습니다.

주노의 중력 과학은 지구로 보내는 전파로 탐사선 속도의 아주 작은 변화를 따라갑니다. 이 변화에서 제트기류의 깊이, 대적점의 얕은 밑바닥, 묽은 중심핵이 드러났습니다. 자력계는 자기장 지도를 그리다가 적도 근처에서 뜻밖의 것을 찾았습니다. 자기장이 아주 센 외딴 영역으로, 「커다란 파란 점(Great Blue Spot)」이라는 별명이 붙었고, 목성 깊은 곳의 바람이 이것을 동서로 천천히 잡아당깁니다. 구름 사진에는 전혀 보이지 않아서 무대에서는 카드로만 나옵니다.

디딜 땅이 없습니다

아래로 버튼을 계속 누르면 탐사선 자료가 끝나는 1 bar 높이에서 132 km 아래에서 멈춥니다. 목성 중심까지 가는 길의 약 0.2 %에 지나지 않습니다. 그 아래에 단단한 것은 없습니다. 기체가 점점 뜨겁고 빽빽해지고, 수천 km 아래에서는 수소가 너무 세게 눌려 금속처럼 전기를 통합니다. 주노가 잰 목성 중력은 「묽은」 중심핵과 가장 잘 맞습니다. 무거운 원소가 중심의 작은 바위 공에 모여 있지 않고 행성 내부의 넓은 부분에 섞여 퍼져 있다는 뜻입니다. 이 층들의 깊이는 직접 잰 값이 아니라 모형에서 나온 값이고, 「속」 칸은 그 사실을 밝히고 반지름을 따라 축척대로 그려 보여 줍니다.

많은 관람객이 처음 찾는 「사실은…」 카드가 이것입니다. 디디고 설 곳이 없어서 내려앉을 수 없는 행성입니다.

대기는 무엇으로 되어 있을까?

갈릴레오 탐사선은 기체를 직접 쟀습니다. 헬륨 실험은 분자 수로 헬륨이 13.6 %라는 것을 쟀고, 나머지는 거의 다 수소입니다. 질량 분석기는 메테인, 암모니아, 황화수소, 물을 쟀고, 몇몇 비활성 기체가 예상보다 많다는 것을 찾았습니다. 목성의 색을 만드는 구름은 아주 적게 남은 성분에서 나옵니다. 암모니아, 황화수소암모늄, 물을 다 합쳐도 기체의 1 %에 한참 못 미칩니다.

목성은 스스로 열을 냅니다

목성은 지구보다 태양에서 다섯 배 멀고, 그곳의 햇빛은 약합니다. 1 제곱미터에 약 50 W로, 지구의 1,361 W와 비교됩니다. 그런데 목성은 햇빛만으로 데워질 때보다 따뜻합니다. 2018년 발표된 카시니 탐사선 측정에 따르면 목성은 받는 햇빛의 약 절반을 반사하고, 안쪽에서 1 제곱미터에 약 7.5 W의 열을 내보냅니다. 합치면 태양에서 흡수하는 에너지의 약 2.2배를 내보내는 셈입니다. 행성이 생길 때 남은 열과 천천히 줄어들며 생기는 열이 폭풍을 움직이고, 번개가 높은 위도에 모이는 까닭 가운데 하나가 됩니다. 적외선을 켜면 열이 새어 나오는 곳이 보입니다.

오로라와 이오의 발자국

목성은 태양계에서 가장 밝은 오로라를 가졌습니다. 지구처럼 전기를 띤 입자가 자기장을 따라 자기극 둘레의 상층 대기로 흘러들 때 생깁니다. 허블의 자외선 사진에서 목성 오로라는 지구 오로라보다 천 배 넘게 밝습니다. 그 빛은 대부분 우리 눈이 보지 못하는 자외선과 적외선이어서, 무대의 장막은 표시용 색으로 그렸습니다. 주노의 적외선 카메라는 주 오로라 고리와 이오, 유로파, 가니메데의 「발자국」을 지도로 그렸습니다. 각 위성과 목성을 잇는 전류가 대기에 닿는 곳의 밝은 점입니다. 이오의 발자국에는 위성과의 자기 연결이 지나간 뒤에도 약 세 시간 동안 남는 꼬리가 있습니다.

무대의 오로라는 구름 위 수백 km의 모형 높이에, 극에서 몇 도 떨어진 고리 위에 있습니다. 「오로라」를 켜고 밤에 북극 위를 날면 이오의 발자국을 찾을 수 있습니다.

구름 꼭대기에서 본 하늘

적도의 저녁 하늘에는 큰 위성 네 개가 떠 있고, 크기는 실제 비율 그대로입니다. 지름 3,643 km이고 목성 중심에서 421,800 km 떨어진 이오는 구름 꼭대기에서 0.60° 크기로 보여, 지구에서 보는 달(0.52°)보다 조금 큽니다. 가니메데는 지름 5,262 km로 태양계에서 가장 큰 위성이지만 목성 중심에서 1,070,400 km 떨어져 있어서 유로파보다 커 보이지 않습니다. 둘 다 약 0.30°입니다. 넷 가운데 가장 바깥의 칼리스토는 0.15°입니다. 그래서 「하늘에서 가장 큰 위성」 과제의 답이 그렇게 나옵니다.

작은 위성도 있습니다. 길이 약 250 km의 붉은 감자처럼 생긴 아말테아는 중심에서 181,400 km밖에 떨어지지 않은 곳을 돌고, 작은 붉은 점으로 보입니다. 고리는 희미합니다. 주 고리는 중심에서 123,000~128,940 km에 있고, 안쪽에는 더 희미한 헤일로가, 바깥에는 엷은 고리들이 있습니다. 적도에서는 고리면이 머리 위를 지나므로 고리가 천정을 지나는 가늘고 옅은 선으로 하늘을 가로지릅니다.

여기서 태양은 작고 어둡습니다. 크기는 약 0.10°로 지구에서 보는 것의 5분의 1이고, 빛은 27분의 1쯤입니다. 하루가 9시간 55분이라 해가 금방 집니다. 「시간 흐르게」를 켜면 1분에 목성의 하루가 지나갑니다. 지구도 하늘에 푸르스름한 흰 점으로 떠 있습니다. 지구 궤도가 목성 궤도보다 훨씬 작아서 태양에서 11° 넘게 떨어지지 않으므로, 해가 진 직후나 뜨기 직전의 어스름에만 볼 수 있습니다.

이오가 태양과 목성 사이를 지나면 이오 크기만 한 검은 그림자가 구름 위를 쓸고 지나갑니다. 그 그림자 안에 떠 있으면 개기 일식을 보게 됩니다. 그곳에서 이오는 태양보다 약 여섯 배 넓어 보이기 때문입니다. 안내의 마지막 단계가 60,000 km 위에서 본 그 장면입니다.

목성 위의 나

목성의 질량은 지구의 318배라서, 몸무게도 318배가 될 거라고 짐작하는 사람이 많습니다. 그렇지 않습니다. 구름 꼭대기에서는 행성 중심에서 11배 멀리 떨어져 있고, 중력은 거리의 제곱에 반비례해 약해지기 때문입니다. NASA는 1 bar 높이의 가속도를 적도에서 23.12 m/s², 극지방에서 27.01 m/s²로 줍니다. 적도에서는 빠른 자전이 물체를 바깥으로 조금 내던지기 때문에 더 작습니다. 지구는 9.82 m/s²입니다. 지구에서 60 kg을 가리키는 체중계는 목성 적도에서 약 141 kg, 극지방에서 165 kg을 가리킵니다.

「나」 칸은 지금 떠 있는 위도에서 내 몸무게와 키로 이 계산을 해 줍니다. 생일을 넣으면 목성 나이(목성의 1년은 지구의 11.86년), 지금까지 산 목성의 날 수, 다음 목성 생일 날짜를 알려 줍니다. 무대에 있는 해의 대적점 길이를 나를 눕혀 이은 수로도 재어 줍니다. 입력한 숫자는 브라우저 밖으로 나가지 않습니다.

주노

NASA의 주노 탐사선은 2016년 7월 4일 목성에 도착했고, 그 뒤로 두 극 위를 지나는 길고 둥근 궤도로 목성을 돌고 있습니다. 가장 가까이 올 때는 구름 위 약 4,200 km를 빠르게 지나고, 다시 멀리 나갑니다. 태양 전지판 세 장은 몸체에서 약 20 m까지 뻗어 있습니다. 이 전시의 많은 부분을 채운 마이크로파 복사계, 중력 실험, 적외선 카메라 JIRAM, 자외선 분광기, 카메라 주노캠이 모두 주노에 실려 있습니다. 무대에서는 2분마다 약 4,200 km 높이로 제트기류 구역 위를 지나니, 위로 올라가 움직이는 반짝임을 찾아보세요.

모형이 움직이는 방식, 그리고 실제 목성과 다른 점

행성은 나를 둘러싸고 그려집니다. 목성의 곡면에 꼭 맞춘 격자가 바로 아래 지점을 따라다니는데, 내 가까이는 촘촘하고 지평선 쪽으로 갈수록 성깁니다. 행성은 그 아래에서 돌아서 나는 늘 장면의 한가운데에 있습니다. 그래서 같은 무대가 150,000 km 위에서 원반 전체를, 몇 km 앞에서 구름 덩어리 하나를 보여 줄 수 있습니다. 구름 색은 그래픽 카드에서 그린 행성 지도에서 나옵니다. 띠와 제트기류, 고른 해의 크기로 그린 대적점, 흰 타원, 열점, 극지방 사이클론이 들어 있습니다. 내 가까이에서는 더 잘게 쪼갠 구름 무늬를 더하고 현지 시각의 햇빛으로 비춥니다.

무대를 위해 단순하게 하거나 지어낸 것도 있고, 판독창이나 카드가 그렇다고 알려 줍니다.

• 바람 분포는 측정된 제트기류 정점을 지나는 매끄러운 모형이고, 모든 위도에서 잰 분포가 아닙니다.
• 구름 색과 높이, 구름 덩어리 하나하나의 모양은 모형입니다. 아래쪽 구름층의 높이는 표준 응결 모형에서, 압력과 기온은 갈릴레오 탐사선에서 가져왔습니다.
• 흘러가는 무늬(타원 BA, 진주 목걸이, 흰 점 Z, 클라이드 점, 열점, 폭풍 구름 기둥)의 위치는 모형 위치입니다. 위도와 관측 날짜는 실제 값입니다.
• 목성은 반지름 71,492 km의 공으로 그렸습니다. 실제 행성은 납작해서 극 반지름이 66,854 km입니다.
• 오로라는 모형 높이에 표시용 색으로 그렸습니다.
• 구름 꼭대기에서 본 하늘 색은 사진으로 찍힌 적이 없습니다. 머리 위의 파란색과 지평선 근처의 베이지색 안개는 추정입니다.
• 받침대 위의 사람과 받침대는 크기 비교용으로만 두었습니다. 사람은 목성 대기 어디에서도 살 수 없습니다. 산소가 거의 없고 방사선이 강하며, 위쪽의 찬 공기와 아래쪽의 뜨거운 공기가 똑같이 치명적입니다.