칼리스토

칼리스토는 목성의 4대 갈릴레이 위성 중 가장 바깥쪽에 위치하며, 반지름 약 2,410km로 가니메데 다음으로 큰 위성이자 행성 수성에 근접한 크기를 지닌 천체다. 갈릴레오 갈릴레이는 1610년 1월 목성 옆에서 희미한 빛의 점으로 처음 이를 관측했으며, 이름은 제우스가 곰으로 변신시킨 그리스 신화 속 님프에서 따왔다. 안쪽 형제들이 분주한 것과 달리 — 이오는 분출하고, 유로파는 균열이 생기고, 가니메데는 표면이 다시 형성되는 반면 — 칼리스토는 고요한 존재다. 약 40억 년 동안 표정을 거의 바꾸지 않은, 크레이터로 뒤덮인 어두운 얼음과 암석의 구체다.

그 고요함이야말로 칼리스토를 흥미롭게 만드는 요소다. 칼리스토는 목성으로부터 충분히 멀리 떨어져 공전하기 때문에 행성의 가혹한 방사선 대부분을 피할 수 있으며, 오래된 지각 아래에 짠 바다를 숨기고 있을 가능성이 있다. 여러 척도에서 볼 때, 칼리스토는 목성계 전체에서 가장 온화한 부동산이라 할 수 있다.

태양계에서 가장 두들겨 맞은 표면

다른 어떤 천체도 자신의 역사를 이렇게 노골적으로 드러내지 않는다. 칼리스토의 표면은 충돌 크레이터로 포화 상태에 이르러, 새로운 충돌이 이제는 오래된 흔적을 대부분 지워버리는 지경에 이르렀다. 이는 지질학적 갱신이 거의 없는 채로 약 40억 년의 충돌 기록을 담아온 지각의 흔적이다. 산맥도, 화산도, 뚜렷한 단층계도 없다. 하늘에서 떨어진 것은 그대로 남아 있을 뿐이다.

칼리스토의 대표적 특징은 발할라로, 지금까지 알려진 것 중 가장 큰 다중 고리형 충돌 분지다. 수백km에 걸친 밝은 중심 평원을 동심원 모양의 고리들이 둘러싸고 있는데, 이는 얼음 지각에 얼어붙은 물결 무늬로 중심에서 약 1,900km까지 퍼져 있으며, 마치 연못에 조약돌을 던졌을 때 남는 무늬와 같다. 보이저 1호가 1979년 처음으로 발할라를 밝혀냈다. 또 다른 거대한 과녁 무늬인 아스가르드는 약 1,600km에 이른다. 큰 분지들 사이의 지형은 어둡고 먼지 낀 얼음으로 이루어진 돌기와 첨탑들로 부서져 있으며, 더 밝은 서리가 승화하면서 서서히 침식되고 있다.

절반은 얼음, 절반은 암석 — 그리고 겨우 절반만 분리된 상태

칼리스토의 평균 밀도는 약 1.83g/cm³로 4대 갈릴레이 위성 중 가장 낮으며, 이는 내부가 암석과 물 얼음이 거의 동일한 비율로 이루어져 있음을 시사한다. 가니메데나 암석형 행성들과 달리, 칼리스토는 깨끗한 금속핵, 암석 맨틀, 얼음 외피로 완전히 분화된 적이 없는 것으로 보인다. 대신 암석과 얼음은 부분적으로 섞인 채 남아 있으며, 압축된 중심부로 갈수록 암석의 비율이 점진적으로만 증가한다.

이 절반만 완성된 내부 구조 자체가 하나의 단서다. 이는 칼리스토가 천천히 형성되어 차가운 상태를 유지했으며, 성분을 녹여 분리시킬 만큼 충분한 내부 열을 결코 만들어내지 못했음을 시사한다. 이는 이웃 위성들에 새겨진 뜨겁고 격동적인 역사와는 정반대다.

공명이 잊어버린 위성

이오, 유로파, 가니메데는 살아 있는데 칼리스토만 죽어 있는 이유는 궤도 기하학으로 설명된다. 안쪽의 이 세 위성은 라플라스 공명이라 불리는 4:2:1의 중력적 리듬에 갇혀 있으며, 이는 19세기 초 피에르시몽 라플라스가 처음 설명한 것이다. 이 힘겨루기는 위성들의 궤도를 약간 길쭉하게 유지시키고, 목성의 조석력이 공전할 때마다 그 내부를 구부러뜨린다. 이는 이오를 태양계에서 가장 화산 활동이 활발한 천체로 만들었고, 유로파와 가니메데 내부의 바다를 액체 상태로 유지하는 데 도움을 준다.

칼리스토는 이 연쇄 바깥에 있다. 칼리스토는 약 188만km 거리에서 16.7일마다 목성을 공전하는데, 이는 가니메데 거리의 거의 두 배에 해당하며, 거의 완벽한 원형에 가깝고 기울기도 0.19도에 불과한 궤도를 그리며, 이를 교란할 큰 위성도 바깥쪽에 없다. 공명에 의한 힘이 없으므로 조석 가열을 거의 받지 않고, 따라서 다른 위성들을 재형성시킨 내부 엔진을 발달시킨 적이 없다.

숨겨진 바다와 희미한 공기

차갑고 비활성적인 외관에도 불구하고 칼리스토는 속까지 완전히 얼어붙지 않았을 수 있다. NASA의 갈릴레오 탐사선이 1990년대 말 근접비행했을 때, 자력계는 목성의 변화하는 자기장에 의해 유도된 전류를 감지했다. 이는 짜고 전기가 통하는 액체층이 만들어낼 법한 신호였다. 유력한 해석은 약 150~250km 두께의 얼음 아래에 묻힌, 두께 100~150km 정도의 지하 바다다. 이 바다는 조석이 아니라 아마도 부동액 역할을 하는 염분이나 암모니아, 그리고 미미한 방사성 열에 의해 액체 상태로 유지되는 것으로 보이며, 유로파의 바다와는 매우 다른 성격의 바다일 것이다.

칼리스토는 또한 이산화탄소와 산소 분자로 이루어진 희박한 외기권을 지니고 있는데, 이는 햇빛과 하전 입자가 얼음 표면에 작용하며 방출된 것이다. 낮 기온은 적도에서 약 165K(약 영하 108도)까지 오르지만 밤에는 80K 아래로 떨어지며, 이는 노출된 물 얼음이 사실상 바위처럼 단단해지는 온도다.

스쳐 지나가며 탐사되다가, 마침내 목표가 되다

외태양계로 향한 모든 심우주 탐사 임무는 차례로 칼리스토를 슬쩍 관측하고 지나갔다. 1970년대의 파이오니어 10호와 11호, 1979년의 두 보이저호, 그리고 마지막으로 1996년부터 2001년까지 여러 차례 근접비행을 수행하며 지금도 우리가 의존하는 상세한 영상과 자력계 데이터를 전송한 NASA의 갈릴레오 궤도선까지. 그러나 수십 년 동안 칼리스토는 목적지라기보다는 기회가 닿을 때 살펴보는 대상에 불과했다.

이제 그것이 바뀌고 있다. 2023년 4월 14일 발사되어 2031년 도착 예정인 ESA의 목성 얼음위성 탐사선(JUICE)은 가니메데, 유로파, 칼리스토를 함께 연구하도록 설계되었다. 이 임무의 여정에는 칼리스토 근접비행이 약 21회 포함되어 있는데, 이는 이 위성이 받게 될 가장 철저한 조사로, 숨겨진 바다의 깊이와 실재를 탐사하고 갈릴레오가 할 수 있었던 것보다 훨씬 선명하게 고대 표면을 지도화한다.

목성 주변에서 가장 안전한 땅

칼리스토는 목성의 가장 격렬한 방사선대 훨씬 바깥쪽을 공전하기 때문에, 표면이 받는 하루치 방사선량은 지구 표면 자연 배경 수준의 약 10배에 불과하다. 이는 유로파나 이오의 치명적인 환경에 비하면 사소한 수준이다. 여기에 지질학적 안정성, 풍부한 물 얼음, 그리고 다시 이륙하기 쉽게 만드는 낮은 중력까지 더해져, 칼리스토는 오래전부터 목성계 유인 탐사의 자연스러운 전진기지로 거론되어 왔다. 유인 외행성 탐사 임무를 다룬 2003년 NASA 연구(이른바 '외행성 유인 탐사(HOPE)' 구상)는 칼리스토를 우주비행사가 표면에서 실제로 활동할 수 있는 유일한 대형 위성으로 지목하며, 이곳을 더 위험한 안쪽 위성들을 원격으로 탐사하는 기지로 활용할 수 있다고 보았다.

직접 칼리스토 찾아보기

칼리스토를 보기 위해 지구를 떠날 필요는 없다. 안정적인 쌍안경이나 소형 망원경만 있으면 4대 갈릴레이 위성 모두가 목성 양쪽에 일렬로 늘어선 작은 별처럼 보이는데, 이는 1610년 갈릴레오의 우주관을 뒤엎었던 것과 같은 광경이다. 칼리스토는 이 네 위성 중 가장 바깥쪽에 있으며 행성에서 가장 멀리 벗어나기 때문에 목성의 눈부신 빛에서 깔끔하게 벗어나 있어 흔히 가장 쉽게 찾을 수 있다. 며칠 밤에 걸쳐 관찰하면 위성들의 위치가 눈에 띄게 이동하는데, 칼리스토는 목성을 한 바퀴 도는 데 거의 17일이 걸리기 때문에 이 무리 중 가장 여유로운 춤꾼으로, 안쪽 세 위성이 밤마다 오가는 동안 천천히 이동한다.