이오 (위성): 두 판 사이의 차이

이오는 17~18세기 천문학의 발전에 중요한 역할을 했다. 이오는 [[갈릴레오 갈릴레이]]가 발견했고, 다른 위성들과 묶여 [[갈릴레이 위성]]으로 불린다. 이오의 발견은 [[코페르니쿠스]]의 태양 중심설을 채택하게 하는 계기가 되었고, [[요하네스 케플러]]의 운동 법칙을 개발하는 계기가 되었으며, [[뢰머의 빛의 속력 측정|최초의 빛 속도 측정]] 대상이 되었다. 지구에서 이오는 19세기 후반부터 20세기 초까지 극은 붉고 적도 쪽은 밝다는 것까지 알려졌으며, 그 후 표면의 대규모 용암 형상을 관측할 수 있게 되었다. 1979년, 두 대의 [[보이저 계획|보이저]] 탐사선은 이오가 지질학적으로 활발한 위성임을 밝혀 냈고, 거대한 화산들과 충돌구들이 비정상적으로 젊다는 것도 관측하였다. [[갈릴레오 호|갈릴레오 탐사선]]은 1990년도와 2000년도에 이오를 지나치며 관측했고, 이오의 내부 구성과 표면 조성에 대한 정보를 얻어냈다. 또한 탐사선들은 이오와 목성 자기권의 연관관계와 이오 궤도 주변의 방사선 띠의 유무도 밝혀 내었다. 이오에는 하루에 3600 [[인체 뢴트겐 당량|Rem]]의 방사선이 들이친다.<ref>{{웹 인용 |url=http://zimmer.csufresno.edu/~fringwal/w08a.jup.txt |title=2000 February 29, SPS 1020 (Introduction to Space Sciences) |work=CSUFresno.edu |date=29 February 2000 -02-29}}</ref>

표면에 화산이 가득한 위성 속성에 맞게, 이오 표면의 지형에는 이오 신화 속 인물과 장소, 불·화산·태양·번개를 상징하는 세계 각국 전설 속의 신들, 단테의 [[신곡]]에 나오는 인물과 장소 명칭이 붙었다.<ref name="NameCategories">{{cite web |url=http://planetarynames.wr.usgs.gov/append6.html |title=Categories for Naming Features on Planets and Satellites |publisher=U.S. Geological Survey |first=Jennifer |last=Blue |date= |accessdate=2013-09-12 }}</ref> [[국제 천문 연맹]]은 [[보이저 1호]]가 처음으로 근접 영상을 보내 온 이래 이오의 화산, 산, 평원, 고반사도 지형 명칭 225개를 승인했다. 이렇게 승인된 지형 명칭 중 화산활동으로 생긴 구조를 가리키는 것으로는 '파테라'(뜻은 '잔받침'. 화산활동으로 움푹 들어간 지형임), '플룩투스'(뜻은 '흐름'. 용암류 지형), '발리스'(뜻은 '계곡'. 용암이 만든 해협 모양 지형), '활성 분출 중심'(active eruptive center, 특정 화산에서 최초로 연기가 뿜어져 나온 지점) 넷이 있다. 이밖에 산악지대는 '몬스', 고원은 '멘사'(뜻은 '책상'), 층을 이룬 대지는 '플라눔', 순상화산은 '톨루스'(뜻은 '천장이 둥근 건물' 또는 '로턴더')로 각각 명명되었다.<ref name="NameCategories"/> 반사율이 높아 밝은 지대는 '레지오'로 불린다. 이상의 명칭을 써서 명명된 지형의 예로는 프로메테우스, 판 멘사, [[트바쉬타 파테라]], 취고압 플룩투스 등이 있다.<ref name="Featurenames">{{cite web |url=http://planetarynames.wr.usgs.gov/jsp/FeatureTypes2.jsp?system=Jupiter&body=Io&systemID=5&bodyID=7&sort=AName&show=Fname&show=Lat&show=Long&show=Diam&show=Stat&show=Orig |title=Io Nomenclature Table of Contents |publisher=U.S. Geological Survey |first=Jennifer |last=Blue |date=14 June 2007-06-14 |archiveurl=http://web.archive.org/web/20070629200803/http://planetarynames.wr.usgs.gov/jsp/FeatureTypes2.jsp?system=Jupiter&body=Io&systemID=5&bodyID=7&sort=AName&show=Fname&show=Lat&show=Long&show=Diam&show=Stat&show=Orig |archivedate=2007-06-29 }}</ref>

이오의 발견을 최초로 공표한 사람은 [[갈릴레오 갈릴레이]]로, 1610년 1월 7일 [[파도바 대학교]]에서 [[굴절 망원경|20배율 굴절 망원경]]을 사용하여 관측했다. 그러나 이 관측에서 갈릴레이는 망원경의 성능이 낮았던 탓에 이오와 [[에우로파 (위성)|에우로파]]를 하나의 천체로 인지했고, 둘을 하나의 광점으로 기록했다. 바로 다음날 1610년 1월 8일 갈릴레이는 목성계를 다시 관측하여 이오가 에우로파와 분리된 천체임을 알아냈다.([[국제 천문 연맹]]은 이 날을 이오가 발견된 날로 인정한다.)<ref name="IAUMoonDiscoveries">{{cite web |last=Blue |first=Jennifer |date=9 November 2009-11-09 |url=http://planetarynames.wr.usgs.gov/append7.html |title=Planet and Satellite Names and Discoverers |publisher=USGS }}</ref> 갈릴레이는 1610년 3월 이오와 나머지 목성의 위성들의 발견 사실을 ''Sidereus Nuncius'' 제목으로 출판했다.<ref name="IobookChap2">{{cite book |last=Cruikshank |first=D. P. |last2=Nelson |first2=R. M. |editor-last=Lopes |editor-first=R. M. C. |editor2-last=Spencer |editor2-first=J. R. |title=Io after Galileo |year=2007 |publisher=Springer-Praxis |isbn=3-540-34681-3 |pages=5–33 |chapter=A history of the exploration of Io }}</ref> 시몬 마리우스는 1614년 그가 출판한 저작 ''Mundus Jovialis''에서 본인이 이오를 포함한 목성의 위성들을 갈릴레이의 발견일보다 일 주일 먼저 1609년에 발견했다고 주장했다. 갈릴레이는 이 주장을 의심했고 마리우스가 자신의 발견을 표절한 것으로 취급하여 무시했다. 사실 마리우스의 최초 발견일인 1609년 12월 29일은 [[율리우스력]]으로 이는 갈릴레이가 사용한 [[그레고리력]]으로는 1610년 1월 8일에 해당된다.<ref name="GaliloProjectMarius">{{cite web |last=Van Helden |first=Albert |url=http://galileo.rice.edu/sci/marius.html |date=14 January 2004-01-14 |title=The Galileo Project / Science / Simon Marius |publisher=Rice University }}</ref> 둘의 발견일은 같지만 마리우스보다 먼저 발견을 공표한 갈릴레이가 이오의 발견자로 인정받는다.<ref name="JPLDiscovery">{{cite web |last=Baalke |first=Ron |url=http://www2.jpl.nasa.gov/galileo/ganymede/discovery.html |title=Discovery of the Galilean Satellites |publisher=Jet Propulsion Laboratory |date= |accessdate=2010-01-07 }}</ref>

이후 250년동안 이오는 천문학자들의 망원경 속에서 잘 알려지지 않은, 5등급 밝기의 광점으로 남아 있었다. 17세기에 이오를 포함한 갈릴레이 위성들은 [[경도]]를 정하거나, [[케플러의 행성 운동 법칙]]을 검증하는 데 이용되거나, 목성과 지구 사이 빛이 도달하는 데 걸리는 [[빛의 속력|시간]]을 재는 등 여러 연구 목적으로 활용되었다.<ref>{{cite web | last=O'Connor |first=J. J. |last2=Robertson |first2=E. F. |date=February 1997-02 | url=http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/HistTopics/Longitude1.html | title=Longitude and the Académie Royale | publisher=University of St. Andrews | accessdate=2007-06-14 }}</ref><ref name="IobookChap2"/> [[조반니 도메니코 카시니|카시니]] 외 여러 천문학자들이 만든 [[천체력]]에 기반하여 [[피에르시몽 라플라스]]는 이오, [[에우로파 (위성)|에우로파]], [[가니메데 (위성)|가니메데]]의 궤도 공명을 설명하는 수학 이론을 만들었다.<ref name="IobookChap2"/> 이 공명은 훗날 세 위성의 지질학 연구에 지대한 영향을 끼치게 된다.

[[보이저 1호]]와 [[보이저 2호]]는 1979년에 이오를 통과했는데 가지고 있던 고급 사진 장비는 더 선명한 사진을 얻어 냈다. 보이저 1호는 1979년 5월 5일 이오에서 20,600 km 떨어진 곳까지 접근했다.<ref name="VoyagerDesc">{{웹 인용 |url=http://pds-rings.seti.org/voyager/mission/ |title=Voyager Mission Description |last= |first= |date= 19 February 1997-02-19 |work=NASA PDS Rings Node |publisher= |pages= }}</ref> 접근할 때 전송된 사진은 이상하였는데, [[충돌구]]들의 모습이 잘 보이지 않았다.<ref name="Smith1979">{{저널 인용 |title=The Jupiter system through the eyes of Voyager 1 |journal=Science |last=Smith |first=B. A. |author2=''et al.'' |pages=951–972 |volume=204 |issue= 4396|year=1979 |doi=10.1126/science.204.4396.951 |pmid=17800430 |bibcode=1979Sci...204..951S }}</ref><ref>The Milwaukee Sentinel, Pasadena, Calif.--UPI, [http://news.google.com/newspapers?id=YY5QAAAAIBAJ&sjid=9BEEAAAAIBAJ&pg=4875,944849&dq=jupiter&hl=en Jupiter moon shows color, erosion signs], 6 Mar 1979, page 2.</ref> 높은 해상도의 사진은 구멍들이 잘 보이지 않음을 통해 표면이 상대적으로 젊음을 밝혀 냈고, 산들은 [[에베레스트 산]]보다 더 컸으며, 화산이 용암을 분출하는 모습과 닮아 있었다.

2003년 9월 갈릴레오 탐사선이 계획에 따라 목성의 대기권에서 파괴되어, 이오 화산의 새로운 활동은 지구의 망원경에서 얻어졌다. 특히, [[W. M. 켁 천문대|켁 천문대]]와 허블 우주 망원경의 [[적응광학]] 관측은 이오 표면의 활화산들을 생생하게 보여줬다.<ref name="Marchis2005">{{cite journal |last=Marchis |first=F. |author2=''et al.'' |title=Keck AO survey of Io global volcanic activity between 2 and 5&nbsp;μm |journal=Icarus |volume=176 |issue= 1 |pages=96–122 |year=2005 |url= |doi=10.1016/j.icarus.2004.12.014 |bibcode=2005Icar..176...96M }}</ref><ref name="SpencerBlog02232007">{{cite web |url=http://planetary.org/blog/article/00000874/ |title=Here We Go! |work=Planetary.org |last=Spencer |first=John |date=23 February 2007-02-23 |archiveurl=http://web.archive.org/web/20070829220423/http://www.planetary.org/blog/article/00000874 |archivedate=2007-08-29 }}</ref> 이렇게 얻어진 영상을 이용해서 (목성에 탐사선을 보내지 않고도) 과학자들은 이오 화산의 움직임을 모니터링할 수 있다.

내부 조성물 모형에 따르면 이오의 맨틀은 적어도 75%가 마그네슘이 풍부한 광물인 [[고토 감람석]]이며, L 콘드라이트 및 LL 콘드라이트 [[운석]]과 구성물질이 비슷한데 [[철]]의 함유량이 지구나 달([[규소]]와 비교하여)보다 높지만 화성보다는 낮다.<ref name="Sohl2002">{{cite journal |last=Sohl |first=F. |author2=''et al.'' |title=Implications from Galileo observations on the interior structure and chemistry of the Galilean satellites |journal=Icarus |volume=157 |issue=1 |pages=104–119 |year=2002 |url= |doi=10.1006/icar.2002.6828 |bibcode=2002Icar..157..104S }}</ref><ref name="Kuskov2001">{{cite journal |last=Kuskov |first=O. L. |first2=V. A. |last2=Kronrod |title=Core sizes and internal structure of the Earth's and Jupiter's satellites |journal=Icarus |volume=151 |issue=2 |pages=204–227 |year=2001 |url= |doi=10.1006/icar.2001.6611 |bibcode=2001Icar..151..204K }}</ref> 이오에서 관측된 열의 흐름을 볼 때 이오의 맨틀 10~20%는 녹아 있을지도 모르며, 온도 높은 화산활동이 관측된 지역은 녹은 부분의 비중이 더 높은 곳일 수 있다.<ref name="IobookChap5">{{cite book |last=Moore |first=W. B. ''et al.'' |editor=R. M. C. Lopes and J. R. Spencer |title=Io after Galileo |year=2007 |publisher=Springer-Praxis |pages=89–108 |isbn=3-540-34681-3 |chapter=The Interior of Io. }}</ref> 그런데 2009년 갈릴레오 탐사선의 자력계를 재분석한 결과 이오에 자체 형성된 자기장이 있음이 밝혀졌고 이는 표면에서 50 km 아래 마그마 바다가 있어야 가능한 결과였다.<ref name="KerrInducedField" /> 2011년 발표된 추가 분석에서 이 바다 존재의 직접적 증거가 제시되었다.<ref>{{cite news |title=NASA's Galileo Reveals Magma 'Ocean' Beneath Surface of Jupiter's Moon |url=http://www.sciencedaily.com/releases/2011/05/110512150723.htm |date=2011-05-12 May 2011 |publisher=Science Daily }}</ref> 마그마 층의 두께는 약 50 km이며 맨틀의 약 10%를 차지하고, 마그마 바다의 온도는 섭씨 1200도에 이른다. 이오의 맨틀 중 10~20%의 녹은 비율이 이 마그마 바다를 이루는 막대한 규산염 광물의 양과 일치하는지는 밝혀지지 않았다.<ref name="PerryInducedMagmaOcean">{{cite web |last=Perry |first=J. |title=Science: Io's Induced Magnetic Field and Mushy Magma Ocean |date=2010-01-21 January 2010 |url=http://gishbar.blogspot.com/2010/01/science-discovery-of-ios-induced.html |work=The Gish Bar Times }}</ref> 이오의 [[암석권]]은 광범위한 화산 활동으로 축적된 현무암과 유황으로 이루어져 있다. 두께는 최소 12 km에서 최대 40 km인 것으로 보인다.<ref name="Anderson2001" /><ref name="Jaeger2003">{{cite journal |last=Jaeger |first=W. L. |author2=''et al.'' |title=Orogenic tectonism on Io |journal=J. Geophys. Res. |volume=108 |issue=E8 |pages=12–1|year=2003 |url= |doi=10.1029/2002JE001946 |bibcode=2003JGRE..108.5093J }}</ref>

지구나 달과는 달리 이오의 [[내부열]]은 [[방사성 동위원소]] 붕괴보다는 [[조석|조석 소산]]이 주원인이다.<ref name=Peale1979a/> 이 내부열은 목성과의 거리, 궤도 이심률, 이오의 내부 조성물 및 물리적 상태로 인해 발생한다.<ref name="IobookChap5" /> 에우로파·가니메데와 이오가 이루는 [[라플라스 공명]]은 이오의 궤도 이심률을 유지하며, 이오 내부의 조석 소산이 공전궤도를 원형으로 만들지 못하게 막는다. 이 공명작용은 이오와 목성 사이 거리가 일정하게 유지되도록 만들며, 만약 이 힘이 없을 경우 목성이 증가시키는 조석력으로 이오는 천천히 나선 궤도를 그리면서 목성으로부터 멀어질 것이다.<ref name="Yoder1979">{{cite journal |title=How tidal heating in Io drives the Galilean orbital resonance locks |journal=Nature |first=C. F. |last=Yoder |author2=''et al.'' |volume=279 |issue=5716 |pages=767–770 |year=1979 |doi=10.1038/279767a0 |bibcode=1979Natur.279..767Y }}</ref> 이오의 조석팽대부는 공전궤도상 [[장축단|원점]]과 [[장축단|근점]]에서의 수직차(差)가 약 100 m에 이른다. 이처럼 변덕스럽게 잡아당기는 조석력 때문에 이오 내부에서는 '마찰' 또는 조석 소산이 발생하면서 엄청난 조석열을 만들어내고, 이오의 맨틀 및 핵 상당량을 녹인다. 만약 다른 위성과의 공명작용이 없다면 이 마찰 에너지는 이오의 궤도를 원형으로 만들었을 것이다. 이 에너지는 [[방사성 붕괴]]만으로 생성되는 에너지량의 200배가 넘는다.<ref name="book" /> 내부열은 화산활동 형태로 풀려나며, 막대한 [[전열|열의 흐름]]을 생성한다.(위성 전체: 0.6 ~ 1.6×10¹⁴&nbsp;[[와트|W]])<ref name="IobookChap5" /> 이오 공전궤도 모형에 따르면 이오 내부 조석열의 양은 시간이 지나면서 변하는데, 현재 조석 소산의 크기는 관측되는 열의 흐름과 일치한다.<ref name="IobookChap5" /><ref name="Lainey2009">{{cite journal |title=Strong tidal dissipation in Io and Jupiter from astrometric observations |journal=Nature |first=V. |last=Lainey |author2=''et al.'' |volume=459 |pages=957–959 |year=2009 |doi=10.1038/nature08108 |bibcode=2009Natur.459..957L }}</ref> 반면 조석열·대류 모형의 점성 프로파일에 따르면 표면으로 나오는 맨틀 열대류와 조석 소산의 크기는 일치하지 않았다.<ref name="Lainey2009" /><ref name="Moore2003geophys">{{cite journal |title=Tidal heating and convection in Io |journal=Journal of Geophysical Research |first=W. B. |last=Moore |volume=108 |issue=E8 |page=5096 |date=August 2003-08 |doi=10.1029/2002JE001943 |bibcode=2003JGRE..108.5096M }}</ref>

과학자들은 달, 화성, 수성 표면에서 오래된 지형들을 관측한 경험에 기반하여, [[보이저 1호]]가 전송한 이오 사진에 수많은 [[충돌구]]가 있을 것으로 기대했다. 이오 표면 전체에 걸친 충돌 크레이터의 밀도가 이오 나이의 단서를 알려줄 것으로 보였다. 그러나 전송된 사진을 본 과학자들은 놀랐다. 충돌구는 거의 보이지 않았고 대신 이오 표면은 높은 산들이 점점이 박혀 있는 매끄러운 평지와, 다양한 모양과 크기의 구덩이들, 화산활동으로 생긴 용암류로 덮여 있었다.<ref name=Smith1979/> 당시 시점까지 관측된 대부분의 천체들과 비교했을 때 이오 표면은 다양한 유황 화합물로 이루어진 형형색색의 물질(그 색 때문에 [[피자]]나 상한 [[오렌지]]에 가장 많이 비유된다.)로 덮여 있었다.<ref name="Britt2000">{{cite news |url=http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/galileo_io_volcanoes_000316.html |title=Pizza Pie in the Sky: Understanding Io's Riot of Color |publisher=Space.com |last=Britt |first=Robert Roy |date=16 March 2000-03-16 |archiveurl=http://web.archive.org/web/20000818092821/http://space.com/scienceastronomy/solarsystem/galileo_io_volcanoes_000316.html |archivedate=2000-08-18 }}</ref> 표면에 충돌구가 없는 것으로 보아 이오의 표면은 지구 표면처럼 지질학적으로 젊어서, 충돌구가 생겨나도 화산 분출물이 그 위에 끊임없이 덮여 흔적을 지우는 것으로 추측되었다. 보이저 1호는 최소 9개의 활화산을 관측하여 이를 극적으로 입증하였다.<ref name=Strom1979/>

이오의 대기는 목성의 자기장에 의해 계속해서 제거되어 이오를 둘러싸고 있는 중성 구름이나 이오의 플라스마 토러스 쪽으로 이동한다. 매 초마다 이오의 대기에서 약 1톤의 물질이 제거되었다가 다시 끊임없이 채워지기를 반복한다.<ref name="IobookChap11" /> 이산화 황(SO₂)을 가장 많이 방출하는 원천은 화산으로, 평균적으로 매 초마다 이오의 대기에 10⁴kg의 이산화 황을 방출하며, 이는 다시 응축되어 표면으로 떨어진다.<ref name=autogenerated2>{{cite book |last=Geissler |first=P. E. |last2=Goldstein |first2=D. B. |editor-last=Lopes |editor-first=R. M. C. |editor2-last=Spencer |editor2-first=J. R. |title=Io after Galileo |year=2007 |publisher=Springer-Praxis |isbn=3-540-34681-3 |pages=163–192 |chapter=Plumes and their deposits }}</ref> 이오의 대기 중에 존재하는 이산화 황의 양은 태양 빛이 표면에서 고체 상태로 존재하는 이산화 황을 지속적으로 승화시킴으로써 유지된다.<ref name="Moullet2010">{{cite journal |last=Moullet |first=A. |author2=''et al.'' |title=Simultaneous mapping of SO2, SO, NaCl in Io's atmosphere with the Submillimeter Array |journal=Icarus |volume=press |issue= 1 |series=in |page=353 |year=2010 |url= |doi=10.1016/j.icarus.2010.02.009 |bibcode=2010Icar..208..353M }}</ref> 따라서 낮 동안에는 태양 빛을 많이 받아 따뜻하고 화산 활동이 활발한 적도에서 위도 40°까지의 지역에 대기가 집중되어 있다.<ref name="Feaga2009">{{cite journal |last=Feaga |first=L. M. |author2=''et al.'' |title=Io's dayside {{chem|SO|2}} atmosphere |journal=Icarus |volume=201 |issue=2 |pages=570–584 |year=2009 |url= |doi=10.1016/j.icarus.2009.01.029 |bibcode=2009Icar..201..570F }}</ref> 또, 관측 결과에 따르면 목성을 마주보지 않는 면에 이산화 황이 풍부하게 존재하므로 이 지역에서의 대기 밀도가 비교적 높으며, 이오가 태양과 가까울 때에도 대기 밀도가 증가하는 것이 확인되었다.<ref name="IobookChap10" /><ref name="Moullet2010" /><ref name="AlohaIo">{{cite web |last=Spencer |first=John |url=http://www.planetary.org/blog/article/00001980/ |title=Aloha, Io |work=The Planetary Society Blog |publisher=The Planetary Society |date=8 June 2009 -06-08}}</ref>