가니메데와 칼리스토의 바다

목성의 가장 큰 두 위성인 가니메데와 칼리스토는 이오와 유로파를 형성하는 조석열의 영향을 받지 않습니다. 이 둘은 서로 다를 뿐만 아니라, 안쪽에 존재하는 다른 위성들과도 매우 다릅니다. 하지만 놀라운 유사성도 존재하는데, 둘 다 그 지각 아래쪽에 바다를 감추고 있다는 것입니다.

 

가니메데와 칼리스토는 유로파의 바깥쪽 궤도를 공전하며, 목성으로부터의 거리가 조석력의 영향을 피할 수 있을 만큼 멉니다. 그러나 칼리스토가 그것이 형성된 이후로 거의 변화가 없었던 것처럼 보이는 크레이터가 많은 암석 덩어리라면, 약간 더 큰 가니메데는 지질학적으로 활발했던 과거의 명백한 흔적들을 보여줍니다. 그 표면에는 크레이터들이 모여 있는 어두운 지형들과 크레이터들이 드문드문 존재하는 상대적으로 밝은 지형들이 혼재돼 있습니다.

 

이 두 위성의 밀도를 통해서 이들이 유로파처럼 암석과 얼음이 뒤섞인 혼합물이라는 것을 알 수 있습니다. 사실, 유로파의 겉모습이 얼음덩어리처럼 보임에도 불구하고 가니메데와 칼리스토가 훨씬 더 많은 얼음을 가진 것처럼 보입니다. 가니메데의 경우에는 암석 물질은 핵 쪽으로 가라앉았고 얼음은 표면에 집중돼 있습니다.

 

갈릴레오 탐사선이 촬영한 가니메데의 표면 사진은 지질학적 활동의 명백한 흔적을 나타내는 어둡고 밝은 지형들의 복잡한 망구조를 보여줍니다. 그러한 지질학적 변화는 가니메데의 내부에서 나오는 열에 의해 이루어질 것입니다.

 

다양한 세계

가니메데의 가장 눈에 듸는 특징은 오래되고 어두운 지형에 집중되어 있으나 다른 곳에도 약간씩 존재하는 크레이터들과 밝은 지형 내에 긴 띠를 형성하는 능선과 홈들입니다. 설커스라고 불리는 평행한 능선들은 지각이 벌어진 지역을 나타내는 것으로 여겨집니다. 그것들은 지구의 바다 밑바닥에 존재하는, 지각의 두 부분이 서로 갈라지면서 생긴 틈을 아래쪽에서 분출되는 화산 물질이 메운 결과로 형성된 능선과 유사해 보입니다.

 

이러한 활동에 에너지를 공급하기 위해서 과거 가니메데의 내부는 현재보다 더 고온이었을 것입니다. 이것이 지구의 판의 활동에 해당하는 가니메데의 얼음 활동을 가능케 했는데, 이 활동은 가니메데의 내부로부터 고온의 물질이 분출돼 오래된 크레이터가 많은 지각을 이동시키고 쪼개기도 했을 것입니다.

 

이와는 대조적으로 칼리스토는 어둡고 균일한 표면을 가지며, 단지 크레이터 내부와 주위의 얼음 분출물만이 밝게 빛납니다. 칼리스토는 태양계에서 크레이터가 가장 많은 천체인 것으로 여겨지는데, 목성의 강력한 중력에 의해 끌어당겨진 소행성들과 혜성들을 위한 '시팅 덕'으로서 평생 겪은 수많은 충돌로 인해 크레이터가 포화상태에 달해 있습니다.

 

그런데 어떻게 가니메데는 판의 움직임이 잠시나마 일어날 정도로 고온이 됐지만, 크기만 약간 더 작을 뿐 거의 유사한 칼리스토는 그렇지 않았던 것일까요? 이 둘 사이의 대비는 너무 커서 크기와 내부 열의 미세한 차이로는 설명될 수 없고, 다른 어떤 힘이 작용했음이 틀림없습니다. 한 가지 가능한 해결책은, 칼리스토가 유난히 천천히 형성됐을지도 모른다는 것인데, 그렇게 될 수 있었던 작용을 찾는 것 자체가 새로운 문제를 제기합니다.

 

1997년 캘리포니아 공과대학의 애덤 스노우맨과 데이비드 J.스티븐슨은 달과 행성 연구소의 레누 멀호트라와 함께 갈릴레이 위성들의 역사 초기에 있었던 궤도의 변화가 가능한 해법을 제시한다는 것을 보여 줬습니다.

 

그들의 모형에 따르면, 위성들은 현재 그들의 위치보다 목성에 좀 더 가까운 곳에서 형성됐을 가능성이 있고, 그들이 바깥쪽으로 이동함에 따라 서로들 간에 일련의 접촉이 있었는데, 이 때문에 안쪽에 있는 세 위성은 완전한 원형 궤도를 만들어 내지 못했습니다. 궤도 펌핑이라고 불리는 이 과정은 지금도 이오와 유로파 사이에서 일어나고 있으며, 그 결과로 만들어진 미세한 타원형의 궤도 때문에 각각의 위성들은 강한 조석력을 경험하게 됩니다.

 

이와 반대로 가니메데와 칼리스토는 거의 완전한 원 모양의 궤도를 갖고 있습니다. 그러나 만약 가니메데가 이전에 이와 유사한 펌핑을 경험했다면 이로부터 지각 활동을 일으킬 만한 내부 열과 힘을 얻을 만했을 것입니다. 가니메데의 내부 열은 오늘날에도 약간 남아 있고, 그 결과 가니메데는 스스로 자기장을 만들어 낼 수 있는 녹아 있는 철 성분의 작은 핵을 가진 것으로 보입니다.

 

숨겨진 바다

이 두 바깥쪽 위성들에 대한 가장 놀라운 최근의 발견은 아마도 그들 각각이 단단한 지각 아래쪽에 지하 바다를 갖고 있다는 증거일 것입니다. 이 발견은 1995년과 2003년 사이에 목성 시스템을 여행한 갈릴레오 우주 탐사선에 탑재된 자력 탐지기의 측정으로 이뤄졌습니다.

 

자력 탐지기는 목성의 강력한 자기장과 주위의 위성들 사이의 상호작용으로 발생하는 자기장의 변화를 측정하기 위해 고안됐습니다. 하지만 그것은 기대했던 가니메데의 내부 자기장뿐만 아니라 약하지만 뚜렷한 '유도된' 자기장 역시 존재한다는 것을 알아냈습니다. 이런 유형의 자기장은 전도성 액체가 더 강한 자기장을 통과하며 운동할 때 흐르는 전류에 의해 만들어집니다. 그런 자기장이 존재한다는 것은 가니메데의 내부에 물과 같은 전도성 액체가 존재한다는 것을 의미합니다.

 

가니메데의 활동적인 과거가 오늘날 액체 상태의 물이 존재한다는 사실을 어느 정도  덜 놀라운 것으로 만든 반면, 칼리스토 주위에서의 유사한 자기장의 발견은 훨씬 충격적이었습니다. 당시 과학자들은 칼리스토가 암석과 얼음의 균일한 혼합물이라고 믿었기 때문입니다.

 

천문학자들은 바깥쪽 위성들이 액체 상태의 물을 가진 것은 따뜻한 유로파의 바다가 형성된 작용과는 전혀 다른 작용이 필요하다고 믿습니다. 1980년대 초반 가니메데에 대해서 제한된 한 가지 가능성은 바다가 그 위성의 200km 내부에 형성된다는 것인데, 이곳에서는 녹는점이 갑자기 낮아지면서 익숙한 저압 형태의 얼음과 특이한 고압의 '다형체' 사이의 이행이 나타납니다.

 

위성의 형성과 그 맨틀에 있는 방사성 물질로부터 나오는 잔열과 암모니아나 황산염과 같은 화학물질 형태의 '부동액'이 추가됨으로써 이 이행은 얇은 액체 바다를 만들어 내기에 충분해질 것입니다. 그러나 이 감춰진 바다의 상태는 유로파의 바다에 비해 훨씬 더 거칠 것이고, 가니메데나 칼리스토에서 생명이 진화할 가능성은 요원해 보입니다.