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가니메데 (위성) 발견과 작명
1610년 1월 7일, 갈릴레오 갈릴레이는 목성 주변에 3개의 별이 있는 것을 발견했는데 처음에는 가니메데와 칼리스토를 발견하였고, 나중에는 목성과 거의 붙어 있던 이오와 유로파도 발견하였다. 다음 날 밤에 그 빛이 움직이는 것이 관찰되었다. 1월 13일에, 그는 한 번에 4개의 위성을 모두 보고 있었지만, 적어도 한 개의 위성이 전 위치에 있다는 것을 알 수 있었다. 1월 15일에, 갈릴레오는 그 빛들이 목성 주위를 움직인다고 결론지었다. 그는 위성의 작명에 대한 권리를 주장하여 이 별을 "우주의 별"로 보고, 이름을 "메디시의 별"(메디치 가문의 별)로 지었다.(
프랑스의 천문학자인 니콜라스클라우데 파브리 데 페이레치는 메디시의 별들의 이름을 각각 분리해야 한다고 말했다, 그러나 그의 제안은 채택되지 않았다. 시몬 마리우스는 원래 자신이 갈릴레이 위성을 발견했다고 주장했다. 그는 목성과 토성의 위성에 이름을 붙이려고 시도했고, "목성의 목성" (이건 가니메데였다), "목성의 금성", "목성의 수성"으로 지었으나, 채택되지 않았다. 요하네스 케플러와 마리우스는 위성에 이름을 붙이려 다시 한 번 시도했다:
가니메데 (위성) 발견과 작명
"... 그러면 저 위성은 가니메데로 하기로 하자고, 우화적 이야기로, 트로스 왕의 잘 생긴 아들이고, 독수리의 형태를 한 제우스에게 하늘로 납치되지 ...세 번째 빛의 위엄이 있는, 가니메데 ..."
로마식 이름과 다른 갈릴레이 위성의 이름들은 상당한 시간 동안 사람들이 싫어하게 되었고, 20세기 중반까지 별로 사용되지 않았다. 이전의 많은 천문학 논문에서 가니메데는 로마 숫자로 붙인 번호인 (갈릴레오가 도입한 명명법) 목성 III 이나 "목성의 세 번째 위성"으로 불렀다. 토성의 위성을 찾는 과정에서 케플러가 발견한 위성들에 도입한 명명 방법이 그대로 목성에 사용되었다. 가니메데는 남성 그림의 이름을 딴 목성의 유일한 위성이며, 이오, 유로파, 칼리스토처럼 가니메데도 제우스의 연인이다.
중국의 천문학 기록에 의하면, 기원전 365년에 감덕이 목성의 위성을 발견했다고 한다. 아마도 육안으로 가니메데를 발견했을 것이다.
가니메데 (위성) 공전과 자전
가니메데의 궤도는 목성에서 평균 1,070,400 km 떨어져 있어 갈릴레이 위성 중에서는 목성에서 세 번째로 멀리 떨어져 있으며, 목성 주변을 7일 3시간 주기로 돈다. 많은 위성처럼, 가니메데는 조석 고정되어 있기 때문에 한 면이 항상 목성을 바라본다. 가니메데의 궤도는 목성의 적도에 대해서 약간 기울어져 있고, 이심률과 기울기, 변하는 준주기의 합력으로 인해 태양계 중력에 섭동을 일으킨다. 이런 섭동으로 인한 변화의 범위는 0.0009,–0.0022, 0.05–0.32°이고, 각기 다르다. 이런 궤도 변화로 인해 자전축 기울기는 0에서 0.33°까지 변할 수 있다.
가니메데는 이오, 유로파와 궤도 공명을 일으킨다. 가니메데가 1번 돌 때마다, 유로파는 2번 돌고, 이오는 4번 돈다. 이오가 근점에 있고 유로파가 원점에 있거나 유로파가 근점에 위치할 때 합 현상이 발생한다. 이오–유로파와 유로파–가니메데의 합이 일어나는 경도는 같은 속도로 바뀌기 때문에 세 개의 위성이 동시에 합이 현상이 일어나는 것은 불가능하고, 이러한 복잡한 공명을 라플라스 공명이라고 한다.
가니메데 (위성) 공전과 자전
지금 라플라스 공명의 상태는 가니메데 바깥쪽의 궤도에 대한 공명 현상을 만들 수 없다. 0.0013의 값은 아마도 옛날에 공명이 가능했던 때에 만들어진 값일 것이다. 갈릴레이 위성의 이심률에는 다소 수수께끼가 있다. 현재 공명이 일어나지 않는 부분으로 보아 가니메데에 있는 지하 구조는 오래전에 붕괴했어야 한다. 이 사실은 마지막 이심률 변화가 몇 억 년 정도 전에 일어났음을 의미한다. 왜냐하면, 가니메데의 이심률이 상대적으로 낮으므로 평균 0.0015가 나와야 하기 때문이다. 따라서 이 위성의 조석 가열은 무시할 수 있는 수준이다. 그리고 옛날의 가니메데는 아마도 1 이상의 라플라스 공진 통과 수(예시:가니메데가 1번 공전할 때 유로파는 2번 공전하므로 유로파의 값은 2)를 가졌을 수 있다. 즉, 0.01~0.02의 큰 값으로 이심률을 밀어 올릴 수 있었다. 이 상황은 아마 가니메데 내부의 심한 조석 가열을 유발했을 것이다. 아마도, 가니메데의 펼쳐진 모양의 지형은 이 조석 가열의 결과물일지 모른다.
가니메데 (위성) 공전과 자전
이오, 유로파, 가니메데의 라플라스 공명에 관한 두 가지 설이 있다. 한 가지는 원시 태양계 시절부터 존재했다는 것이다. 다른 것으로는 태양계의 형성 후에 만들어졌다는 것이다. 후자의 시나리오에 관한 진행 순서는 다음과 같다. 이오는 목성과 조석 작용을 일으키고, 유로파와 2:1의 공명을 가지게 된 후 궤도를 계속 확장한다. 확장은 계속 이루어진다. 하지만 조금의 모멘트가 유로파로 전달되고, 이는 공진을 계속 유지하는 원인이 된다. 유로파와 가니메데가 2:1의 공진을 가지게 될 때까지 이 과정을 계속한다. 결국, 세 위성 사이의 운동량은 라플라스 공명에 의한 동기화 때문에 같은 양을 유지한다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
가니메데의 평균 밀도는 1.936 g/cm3이다. 주로 얼음과 암석이 비슷한 비율로 구성된 것이라 추정된다. 얼음의 질량 분율은 46~50% 사이라고 생각되고, 이는 칼리스토에 비해 약간 낮다. 암모니아와 같은 추가적인 휘발성 얼음도 존재한다고 생각된다. 가니메데의 암석은 알려진 바가 없지만, 아마도 L/LL 형 일반 구립 운석에 가까울 것으로 생각되며 적은 양의 철 핵을 가지고 있을 것으로 생각되며 적은 양의 금속 철과 산화철로 이루어진, H형 운석에 가까울 것으로 생각된다. 가니메데에서 규소에 대한 철의 질량비는 1.05–1.27로 생각된다. 참고로, 태양에서의 비율은 1.8이다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
가니메데의 표면 반사율은 43% 정도이다. 얼음과 물이 50%~90% 정도의 비율로 표면에 뒤덮여 있는 것으로 생각되며, 가니메데의 내부보다 더 많이 존재하는 것으로 생각된다. 적외선 분광법으로 1.04, 1.25, 1.5, 2.0과 3.0 μm의 파장에서 강한 흡수선이 발견되었다. 얼음은 그루브 지형을 밝게 하기 때문에 어두운 지역보다 더 많은 양의 얼음이 밝은 지역에 함유되어 있다. 갈릴레오 우주선과 지상에서 고해상도로 관측한 근적외선과 자외선 스펙트럼 자료에서 물과 관련된 원소 구성비를 발표했다. 가니메데의 표면에는 이산화탄소, 이산화황이 존재한다. 그리고, 시아노겐, 수산화 황산염 그리고 다양한 유기 화합물이 있을 것으로 추정된다. 갈릴레오는 또한 황산 마그네슘 (MgSO4)이 표면에 존재하는 것을 보여 주었고, 황산 나트륨 (Na2SO4)이 아마도 가니메데의 표면에 존재할 것이라는 것을 보여 주었다. 이러한 소금 광물은 지하 바다에서 발생할 가능성이 있다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
가니메데의 표면은 비대칭이다. 순행 반구가 역행 반구보다 밝다. 이는 유로파와 비슷하지만, 반대의 경우인 칼리스토도 마찬가지이다. 가니메데의 역행 반구는 이산화황이 풍부한 것으로 나타난다. 이산화탄소의 분포는 반구 비대칭을 보여주지 않고, 극 근처에서는 발견되지 않는다. 가니메데의 모든 충돌구는 하나를 제외하고 이산화탄소가 뭉친 모습을 보여주지 않으며, 이는 칼리스토와 구별된 모습이다. 아마도, 가니메데의 이산화탄소 기체는 과거에 고갈되었을 것이다.
가니메데는 구조가 완전히 차별화된 것으로 보인다. 황화 철–철로 이루어진 핵과 규산으로 이루어져 있는 맨틀로 이루어져 있다. 가니메데 내부에 있는 이 층의 자세한 길이는 규산염의 비율 가정(감람석과 휘석의 분수)과 핵에 있는 황산의 양에 따라 달라진다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
1970년, 나사의 과학자들이 두 얼음층 사이에 있을지도 모르는 거대 바다를 생각하였다. 1994년에 미항공우주국의 갈릴레오 우주선은 가니메데를 지나쳐 가면서 위성에 있는 바다를 확인하였다. 2014년에 발표된 소금의 영향을 고려한 분석에 따르면, 가니메데에는 여러 층의 얼음과 암석 맨틀에 인접해 있는 여러 층의 바다로 이루어져 있다고 밝혔다. 물과 바위의 접축은 생명의 기원에 중요한 원인이 될 수도 있다.
가니메데는 철이 풍부한 액체 핵을 가지고 있으며, 이로 인해 자기장이 존재한다는 것을 갈릴레오 호이 발견했다. 액체 철 핵에서 대류 현상이 일어나고, 이는 높은 전도성을 갖게 한다. 이것이 가장 자연스러운 자기장 발생 모델이다. 핵의 밀도는5.5–6 g/cm3이고, 규산염 맨틀의 밀도는 3.4–3.6 g/cm3이다. 이 핵의 반경은 최대 500 km일 수 있다. 가니메데의 핵 온도는 아마도 815–926 °C일 것이고, 핵의 기압은 10G
Pa가 넘을 것이다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
가니메데의 표면은 2가지 지형이 혼합되어 있는 모습이다. 전체적으로 매우 오래되었다는 특징을 가지고, 높은 지형과 충돌구가 존재한다. 어두운 영역은 다소 젊은 편이고(하지만 고대 지형이다), 밝은 영역은 도랑과 평지의 조합으로 이루어져 있다. 어두운 지형은 표면의 3분의 1을 차지한다. 점토나 충돌구에서 유기 물질이 나타날 가능성이 있다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
가니메데의 표면에 있는 긴 줄이 생기게 한 '가열 기구'는 행성 과학의 해결되지 않은 문제들 중 하나이다. 현재 가니메데의 표면은 자연적인 지각 변동에 의한 홈이 많다. 얼음화산이 만약 존재한다면, 이것에 대해 약간의 역할을 했다고 생각된다. 가니메데의 얼음 암석 지각에 많은 양의 압력을 준 것은 조석 가열과 연관되 있을 수도 있고, 위성이 불안정한 궤도 공명 때문에 일어난 것일 수도 있다. 얼음에 압력이 걸리며 얼음이 구부러지는 것 때문에 열이 발생하여 암석 지각이 가열될 수 있고, 이로 인해서 균열이 발생하고 이는 표면의 70%인 어두운 지형을 지워 나간다. 홈이 파인 지형과 빠르게 핵이 생겨난 것도 조석 가열과 연관지을 수 있다. 상전이와 열 팽창이 일어나서 1–6%의 미세한 변화가 있는데, 이는 조석 가열이 원인일 수도 있다. 이후 진화 과정에서, 따뜻한 물과 연기는 핵에서 표면으로 올라왔을 수 있고, 암석 지각의 지각 변동으로 이어졌을 가능성이 있다. 방사열은 위성에서 가장 관련성이 높은 가열 원인이다. 예를 들어, 바다의 깊이를 결정한다. 연구의 모형은 과거에 그랬을 지도 모르므로 가니메데의 궤도 편심이 지금보다 더 컸을 때를 기준으로 연구하였다. 그 결과 조석 가열이 방사열보다 더 실질적인 열원이 된다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
충돌구의 지형은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데, 어두운 지역에서 특히 많이 보인다: 충돌구가 표면에 포화 상태가 될 것으로 보일 정도다. 밝은 부분은, 충돌구가 별로 보이지 않고, 충돌구가 진화에 중요한 역할을 하지 않은 것으로 보인다. 충돌구의 밀도로 나이를 추산한 결과 어두운 곳의 충돌구의 나이는 40억 년 되었다. 이는 달의 고지와 비슷한 나이이고, 홈이 파인 지형은 조금 젊다. 하지만 얼마나 젊은지는 불확실하다. 시뮬레이션 결과 가니메데는 35~40억 년 전에 '운석 폭풍'을 맞은 것으로 보이고, 이는 달의 시기와 일치한다. 이것이 사실일 경우, 운석 영향의 대부분은 그 시기에 일어난 것이 되고, 분화구가 생기는 개수는 점점 적어지게 된다. 충돌구들은 새로운 지형에 덮여 씌워지고 협곡들에 의해 갈라지며, 파인 지형의 일부는 상당히 오래 되었다. 분출물의 선으로 이어진 비교적 젊은 충돌구도 보인다. 가니메데의 충돌구는 달과 수성의 것보다 평탄한 것이 특징인데, 이는 아마도 가니메데의 약한 얼음 지각에 의한 것으로, 이 빙하는 흐르는 것으로 추측되고 흐르면서 충돌구를 매꾸어 낸다. 이렇게 사라진 고대 충돌구의 유일한 '유령'은 팰름시스트(Palimpsest)이다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
가니메데의 또다른 특징은 갈릴레오 지역 이라고 불리는 어두운 곳인데, 이곳에는 그 홈이 파인 지형도 있고 뿜어져 나온 물질도 있다. 이곳은 옛날에 지질 활동이 활발하던 시기에 만들어진 것으로 보인다.
가니메데에도 극관이 존재하며, 아마도 얼음으로 구성되어 있는 것으로 추측된다. 이 얼음의 서리는 위도 40°까지 이른다. 이 극관은 보이저 탐사선이 처음으로 관측했다. 이 극관의 형성에 대한 이론으로는 고온의 플라즈마로 인해 얼음에 가해지는 압력과 물의 이동이 포함되어 있다. 갈릴레오호로부터의 자료는 새로운 이론을 만드는 계기가 되었다. 가니메데의 자기장 때문에 보호가 잘 되지 않는 극 지방에 입자가 더 강한 충격을 가한다; 이 충격은 물 분자의 재결합을 일으키고, 이 때문에 물의 서리가 극 지방으로 이동하게 된다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
1972년, 인도네시아에서 근무하는 미국과 영국의 천문학자가 엄폐 현상 동안 위성의 옅은 대기를 발견했다고 주장했다. 이들이 기압을 추정한 결과 0.1 Pa였다. 하지만, 1979년 보이저 1호가 목성을 통과할 때 센타우루스자리 카파의 엄폐를 관측했고, 다른 결과가 나왔다. 자외선 파장은 200 nm보다 짧았다. 그들은 1972년의 결과에 비해 기체의 존재에 훨씬 더 민감했다. 보이저호에 의하면 대기권은 없다. 표면 위쪽의 입자는 1.5×10×10^9cm−3의 밀도를 가지고, 2.5 µPa 미만의 압력에 해당된다. 후의 결과의 값은 1972년의 결과보다 다섯 자리 낮은 결과이다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
보이저호의 자료에도 불구하고, 가니메데에 희박한 산소 대기권(외기권)이 있는 것으로 추측하고 있다. 유로파에 존재하는 양과 유사하게 존재하는 것으로 추정되고, 1995년에 허블 우주 망원경에 의해 발견되었다. 허블 우주 망원경은 실제로는 130.4 nm와135.6 nm의 산소 원자 대기광을 관측한 것이다. 산소 분자가 전기 충격에 의해 분열되면 이런 대기광이 생기게 되고, 이는 O2로 이루어진 대기권의 중요한 증거이다. 산소의 표면에서의 밀도는 1.2×10×10^8–7×10×10^8cm−3일 것으로 추측되며, 0.2–1.2 µPa의 대기압을 가지고 있을 것으로 생각된다. 이 값은 1981년의 보이저호의 결과와 일치한다. 산소는 생명의 증거가 될 수 없다. 이 산소는 가니메데의 표면에서 방사능에 의해 얼음이 수소와 산소로 분리될 때 발생하는 것으로 질량이 낮아 더 빨리 우주 공간으로 없어졌을 것이다. 가니메데는 유로파와 다르게, 대기광이 균일하지 않다. 허블 우주 망원경은 북반구와 남반구 위도 ± 50° 쪽에 있는 밝은 반점을 관찰했고, 이곳은 가니메데의 자기력선의 정확한 경계이다(아래 참조). 밝은 점은 아마도 극광일 것으로 추정되며, 자기장 중 열려 있는 부분을 따라 플라즈마가 들어오면서 일어난 것으로 추측된다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
중성 대기의 존재는 전리층이 존재해야 한다는 것을 가리키며, 이는 산소 분자가 전자와 충돌하여 생기는 것으로 이 전자는 자기장과 태양에서 오는 극자외선(EUV)인 것으로 추정된다. 하지만, 가니메데의 전리층 존재 여부는 논란이 되고 있다. 갈릴레오 호가 측정한 조금의 자료에는 전자의 밀도가 가니메데 주변에서 올라갔다. 이 증거는 전리층의 존재를 시사한다. 하지만 다른 증거는 아무것도 발견되지 않았다. 표면 근처의 전자의 밀도는 400–2,500 cm−3으로 균일하지 않은 것으로 추측된다. 2008년에는 가니메데의 전리층 매개 변수가 제한되지 않았다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
산소 대기의 추가적인 증거는 가니메데의 얼음 스팩트럼에서 드러난다. 1996년의 자료로 분석한 결과, 오존(O3)이 검출되었다. 1997년에 분석에 의해서 산소 분자 이합체가 검출되기도 하였다. 이러한 흡수는 산소가 대기에 존재해야만 일어날 수 있다. 이 현상에 가장 잘 들어맞는 후보는 얼음 속에 갇힌 산소 분자이다. 위도와 경도에 따라서 밀도가 다른데, 반사율과 마찬가지로 위도가 올라갈수록 감소하는 경향이 있다. O3(오존)는 반대의 경향을 나타내고 있다. 실험실에서의 작업은 O2 거품이 -173 °C의 '비교적 따뜻한'표면에서는 얼음에 용해되지 않는다는 것을 알아냈다.
유로파에 나트륨이 존재하는 것을 발견한 후, 가니메데의 대기권에 나트륨이 존재하는지 찾았지만, 1997년에는 아무것도 발견되지 않았다. 나트륨은 유로파의 궤도 주변보다 가니메데의 궤도 주변에 13배쯤 더 풍부하다. 이유는 아마도 표면에 상대적으로 양이 부족하거나 자기장이 들어오지 못하게 막고 있는 것으로 추측하고 있다. 가니메데 대기권의 또다른 구성 성분은 수소 원자이다. 수소가 존재하는 한계는 표면으로부터 3,000 km 상공이다. 표면에서의 밀도는 1.5×10×10^4 cm−3이다.
가니메데 (위성) 물리적 특성
1995년부터 2000년까지 갈릴레오 호는 가니메데에서 G1, G2, G7, G8, G28과 G29 등 6번의 근접비행을 하였다. 이 때 가니메데에서 목성의 자기장과 '독립'된 자기 모멘트를 발견하였다. 이 모멘트의 값은 약 1.3×10×10^13 T·m3이고, 수성의 자기 모멘트보다 3배 더 컸다. 자기장의 양극은 가니메데의 회전축에 대해 176°지점에 존재하고, 이는 이 자기장이 목성의 자기장과 연관되어 있기 때문으로 생각된다. 이 자기장의 북극은 궤도면의 아래쪽에 있다. 이 자기 모멘트로 인해 발생된 힘은 가니메데의 적도에서 719 ± 2 nT이고, 가니메데와 목성의 거리 정도에서 목성의 자기장에 의해 발생되는 힘은— 120 nT 정도이며, 이는 확실히 구분된다. 가니메데의 적도 부분 자기장은 목성의 영향에 의한 것으로, 자기 재결합이 가능할 수도 있다. 특정 지역의 세기는 극의 세기보다 두 배 정도인데, 보통 적도에서는 1440 nT이다.
이 약한 자기 모멘트는 가니메데의 주변 우주 공간에 약하면서 목성의 자기장에 포함되는 약한 자기권을 형성한다. 이 '기능'을 갖고 있는 위성은 태양계에서 오직 가니메데밖에 없다. 이것의 직경은 4~5 RG(RG = 2,631.2 km)이다. 가니메데의 자기권은 하전 입자(전자 및 이온)들이 갇혀 있는 위도 30°부근에 밴 앨런대와 같은 종류의 자기력선 모양으로 존재해 있다. 자기권에 존재하는 주요 이온으로는 산소 원자의 단일 이온화물인 O+이다. 이는 가니메데의 얕은 산소층 대기와 맞는 이온이다. 30° 이상의 고위도 극관 지역에서는 자기력선이 열려 있으며 목성의 전리층과 가니메데가 이어져 있다. 이 지역에서는 수십~수백 keV 정도의 에너지를 갖고 있는 전자와 이온이 검출되었으며, 이는 가니메데 극 주변에 관측되는 오로라의 원인으로 생각된다. 또한, 무거운 이온은 지속적으로 가니메데의 극 표면으로 침전되면서 스퍼터링하고 얼음을 어둡게 만든다.
가니메데의 자기장과 목성의 플라스마 사이의 상호 작용은 지구 자기권과 태양풍의 상호작용과 유사한 점이 많다. 목성과 같이 회전하는 플라스마는 가니메데의 역행 자기장에 충돌하며, 이는 태양풍이 지구 자기장과 충돌하는 것과 비슷하다. 둘의 차이점은 플라스마 흐름의 속도인데, 지구에서의 충돌 속도는 초음속이며, 가니메데에서의 충돌 속도는 아음속이다. 아음속 플라스마 흐름 때문에 가니메데의 역행 반구에서는 뱃머리 충격파가 존재하지 않는다.
고유한 자기 모멘트에 더하여, 가니메데에는 쌍극자 유도 자기장을 가지고 있다. 그 존재는 가니메데 근처에서 목성의 자기장이 변화하는 것으로 관측된다. 유도 모멘트는 행성 자기장의 변화 부분을 따라 목성에서 들어가거나 나오는 방사형 모향을 띄고 있다. 유도 자기 모멘트는 고유 자기 모멘트보다는 세기가 역하다. 자기장 적도의 유도장 전계 강도는 60 nT로 목성 주변 전계 강도의 절반 정도이다. 가니메데의 유도 자기장은 높은 전기 전도성을 가지고 지하 바다가 있는 것으로 추측되는 칼리스토, 유로파와 유사하다.
가니메데는 완전히 차별화된 금속의 핵을 가지고 있다는 것을 감안하여, 고유한 자기권은 아마도 지구와 유사한 방식으로 형성되는 것으로 추측한다. 이 방식은 위성 내부에서 전도성 물체가 움직이면서 형성되었다는 것이다. 가니메데 주위에서 검출되는 자기장은 핵의 대류 조성으로 만들기 쉬우며, 자기장은 발전기 작용 또는 마그네토 운반 작용으로 형성되는 것으로 추측한다.
철로 된 핵의 존재에도 불구하고, 가니메데의 자기장은 비슷한 크기의 위성보다 적은 자기장으로 인해 수수께끼로 남아 있다. 일부 연구에서는 상대적으로 작은 크기의 핵이 충분히 냉각되면서 유체의 움직임과 자기장이 차례로 계속해서 지속되지 않을 것이라는 가설을 내놓고 있다. 동일한 궤도의 공명이 표면에서 지속하는 자기장을 없앤 것이라는 설명도 존재한다. 가니메데의 편심적인 운동과 조석 가열이 공명을 일으켜 맨틀이 냉각되며 핵이 절연 상태가 된다는 설명이다. 또 다른 설명으로는 맨틀에 남은, 위성이 과거에 만들어낸 더 강한 자기장이 남아있는 규산염 암석의 자화가 방해한다는 설명이다.
가니메데 (위성) 기원과 진화
가니메데는 아마도 목성 준성운이 형성된 이후 목성 주변의 가스와 먼지 덩어리에서 강착으로 형성된 것으로 추측한다. 가니메데의 강착은 1만년 정도로 추측되며, 강착에 10만년이 걸렸다고 추정하는 칼리스토보다는 짧다. 목성 준성운은 갈릴레이 위성이 형성되면서 상대적으로 "기체가 적은 상태"였을 수도 있다. 이는 칼리스토의 강착 시간이 유독 긴 이유를 설명해준다. 반면, 가니메데는 준성운의 밀도가 짙은 목성 근처에서 형성하면서 상대적으로 짧은 시간 척도에서 형성되었다. 이러한 상대적으로 빠른 형성은 부가적인 열을 잃는 것을 방지하여 얼음이 용융하여 얼음과 암석이 분화되는 등 행성 분화 과정으로 흘렸을 수도 있다. 이로 인해, 암석이 중앙부분으로 모이며 핵으로 변했다. 이 점에서, 가니메데는 녹는 데 실패하고 형성 속도가 매우 느려 부가적인 열의 손실을 가져온 칼리스토와는 분명히 구분된다. 이는 두 위성이 비슷한 질량과 구성비를 가지고 있음에도 불구하고 전혀 비슷하게 보이지 않는 이유를 설명한다. 이 이론 외의 대체 이론에서는 조력 굴곡에 의한 가니메데의 거대한 기초적 가열 또는 후기 운석 대충돌기 동안 여러 충돌체로 인해 강렬한 충격을 받은 것으로 설명하고 있다.
가니메데 (위성) 기원과 진화
형성 이후, 가니메데의 핵은 형성 과정에서 생겨난 열을 '유지'했고, 그 후 마치 열을 저장하는 건전지처럼 천천히 얼음 맨틀에 열을 전달했다. 그 다음, 맨틀은 대류에 의해 열을 표면으로 전달하였다. 이후 암석 내의 방사성 원소가 붕괴하면서 핵을 더욱 가열시키고, 이것은 분화를 촉진시켰다. 또한, 내부에서는 철과 황화 철로 구성된 핵이 규산염 성분의 맨틀을 만들었다. 이와 함께, 가니메데는 완전히 분화된 구조로 변했다. 이와 비교하여, 미분화한 칼리스토의 방사성 가열은 내부에서 얼음의 대류를 일으켜 위성 전체가 냉각되어 얼음의 융해와 행성 분화 작용을 막았다. 칼리스토의 대류 운동은 암석과 얼음을 일부만 분리시켰다. 오늘날, 가니메데는 천천히 냉각하고 있다. 핵에서 열이 방출되면서 지하에 규산염 맨틀 형태의 바다가 존재하며, 철과 황화 철로 구성된 핵의 느린 냉각은 대류 운동을 일으키면서 자기장을 형성한다. 오늘날 가니메데의 방출 열 유속은 칼리스토가 방출하는 것보다 더 높다.
가니메데 (위성) 가니메데 좌표계
아나트라는 충돌구가 있고, 이 충돌구가 가니메데의 좌표 체계를 정하기 위한 기준점의 역할을 한다. 좌표에 정의된 값에 의하면, 아나트는 경도 128도에 있다.
가니메데 (위성) 탐사
여러 탐사선은 목성을 지나쳐 가거나 궤도에 진입하여 가니메데를 더 밀접하게 살펴 보았다. 현재까지 진행한 통과로는 1970년에 일어났던 네 번의 근접 통과와 1990년대와 2000년대에 여러 근접한 통과가 있었다.
파이어니어 10호는 1973년에 목성을 지나쳐 갔고, 파이어니어 11호는 1974년에 지나쳐 갔으며, 위성에 대한 정보를 지구로 보냈다. 이 때 표면에서 400 km 정도의 거리에 대한 더 구체적인 물리적 정보를 받아 낼 수 있었다. 파이어니어 호가 최고로 가니메데에 접근한 거리는 446,250 km이다.
그 다음으로는 보이저 1호와 보이저 2호가 가니메데를 관찰했다. 1979년에 목성을 지나쳤다. 탐사선은 위성의 크기를 더 정확하게 알아내었고, 이 위성의 크기는 토성의 위성 타이탄보다 더 컸다. 이로 인해 예전 관측 결과에 비해 더 커졌다. 관측 도중 파인 지형도 보였다.
가니메데 (위성) 탐사
1995년, 갈릴레오 호는 목성 궤도에 진입한 후 가니메데에서 1996년부터 2000년까지 여섯 번의 근접통과를 실시했다. 이들 근접통과는 G1, G2, G7, G8, G28, G29라고 불린다. 가장 가까웠던 근접통과는 —G2—였다. 갈릴레오는 가니메데 표면에서 264 km 떨어진 곳을 지나갔다. G1 근접통과가 1996년에 이뤄지고, 이 때 가니메데의 자기장이 발견되었다. 바다의 발견은 2001년에 발표되었다. 갈릴레오 우주선은 여러 가지의 스펙트럼을 전송하고, 이 이미지로 가니메데 표면에 존재하는 물을 발견했다.
가장 최근에 가니메데를 마주한 탐사선은 뉴 허라이즌스 탐사선이다. 명왕성으로 가는 속력을 얻기 위해 목성 근접통과를 한 것이다. 탐사선은 가속하면서 가니메데의 지형 지도를 만들었다.
가니메데 (위성) 탐사
2020년에 유로파 목성계 임무(EJSM) 발사가 예정되었다. 미항공우주국과 유럽우주국은 가니메데를 포함한 목성의 위성 탐사를 공동 추진했다. 2009년 2월, 미항공우주국과 유럽우주국은 유로파 목성계 임무의 우선 순위를 타이탄 토성계 임무보다 높였다. EJSM은 미항공우주국이 주도하는 목성 유로파 궤도선과, 유럽우주국이 주도하는 목성 가니메데 궤도선, 그리고 (아마도) 일본 우주항공연구개발기구가 주도하는 목성 자기권 궤도선으로 구성되어 있다. 유럽우주국 내부에서 프로젝트별 자금 확보 경쟁이 일어났다. 하지만, 2012년 5월 2일 유럽우주국 주도 부분이 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE)으로 바뀌게 되고, 2022년 L1 발사대에서 아리안 5호로 발사된다는 것이 확정되었다. 유럽우주국의 우주과학 탐사가 발전하게 되었다. 우주선은 칼리스토와 유로파를 가깝게 지나쳐 가고, 가니메데 궤도에 들어서 여러 자료를 수집한다.
가니메데 (위성) 탐사
현재 러시아 연방 우주국은 가니메데 착륙선(GL) 임무가 우주생물학을 발전시킬 수 있을지를 집중 평가하고 있다. 가니메데 착륙선과 파트너가 될 것으로 보이는 탐사선은 목성 얼음 위성 탐사선이다. 이 계획이 채택된다면, 2024년에 발사될 것이고 이 일정은 목성 얼음 위성 궤도선과 맞을 수 있다.
주노 탐사선은 2010년에 행성 과학 규모 과학적 조사 연구회에서 제안되었다. 가능한 장비는 중간 정도의 해상도를 가진 카메라를 포함해서 플럭스 게이터 자기계, 가시광선/근적외선 분광계, 레이저 고도계, 저에너지 또는 고에너지 플라즈마 검출계, 이온 및 중성 질량 분석계, 자외선 분광계, 라디오 및 플라즈마 신호 감지계, 좁은 각도의 카메라, 표면 레이다가 있다.
가니메데의 궤도에 진입하는 취소된 제안 중 하나는 목성 얼음 위성 궤도선이 있다. 목성 얼음 위성 궤도선은 핵분열을 사용하도록 설계되었고, 이온 엔진으로 추력을 내게 하여 이전보다 더 상세하게 가니메데를 연구할 수 있게 하는 것이 목적이었다. 그러나 예산 삭감으로 2005년에 취소되었다. 또 다른 오래된 제안은 '가니메데의 웅장함'이라고 불렸다.
유로파
유로파 또는 에우로파(Europa)는 대부분 그리스 신화 또는 유럽에 관련된 이름으로 쓰인다.
명왕성
명왕성(冥王星, 영어: Pluto; 상징: 와 ) 또는 134340 명왕성(소행성체명 : 134340 Pluto)은 카이퍼 대에 있는 왜행성이다. 암석과 얼음으로 이루어져 있으며, 지구의 위성인 달에 비교하면 질량은 ⁠1/6⁠, 부피는 ⁠1/3⁠정도이다. 태양으로부터 29~49 AU 떨어진 타원형 궤도를 돌고 있으며, 공전 주기는 약 248년, 자전 주기는 6일 9시간 43분이다. 이심율이 큰 타원형 궤도 때문에 해왕성의 궤도보다 안쪽으로 들어올 때도 있다. 2014년 기준으로 태양에서 32.6 AU 거리에 있다.
태양에서 아주 멀리 떨어져 있어서 기온이 매우 낮다. 평균 표면 온도는 -233℃이다. 산소와 메테인 등이 고체로 존재하고 있어 인간이 자원을 획득하는 데 가장 좋은 태양계 천체처럼 알려져 있지만, 지구와의 거리가 매우 멀고 기온이 낮기 때문에 실효성이 낮다. 명왕성의 중력은 지구의 약 7% 정도이다. 지구에서 몸무게가 약 60kg인 사람이 명왕성에 가면 약 4kg가 된다. 질량은 60kg으로 일정하다.
명왕성
1930년에 미국의 클라이드 톰보가 처음으로 발견했으며, 2006년까지 태양계의 9번째 행성으로 인정됐었다. 하지만 명왕성과 비슷한 타원 궤도를 도는 유사한 천체들이 잇따라 발견되면서, 명왕성이 행성으로 적합한가에 관한 논란이 발생했다. 2005년에 발견된 왜행성 에리스는 당시 명왕성보다 질량이 27% 정도 더 큰 것으로 파악되었다. 즉 명왕성이 태양계 외곽의 여러 얼음 천체들 중 하나에 불과하다는 것이 밝혀졌다. 그래서 명왕성 하나만 행성으로 분류할 수는 없다는 의견이 나왔고, 카론, 명왕성, 세레스 등을 모두 행성으로 분류할지 아니면 모두 제외할지에 대한 논의가 이루어졌다. 결국 국제천문연맹은 2006년 8월 24일 총회에서 행성의 기준을 새로 정하면서 명왕성, 에리스, 세레스 등을 함께 묶어 왜행성 및 명왕성형 천체라는 새로운 분류에 집어넣었다. 미국을 비롯한 일부 국가의 과학자들은 명왕성이 여전히 행성으로 분류되어야 하며 새로 발견된 천체들도 행성으로 인정해야 한다고 주장하기도 하지만, 왜소왕성은 현재 왜행성으로 분류되어 134340이라는 식별 번호가 붙어있다.
명왕성
당초 명왕성 주변에서 발견된 5개의 천체가 위성으로 알려져 있었다. 그 중 가장 큰 천체인 카론은 1978년에 발견되었고, 닉스와 히드라는 2005년에, 케르베로스와 스틱스는 각각 2011년, 2012년에 발견되었다. 그러나 명왕성이 카론에 지배적인 영향을 주지 못하고 카론에 휘둘리기도 하는 사실이 확인됐는데, 이 둘의 질량 중심이 명왕성 내부가 아닌 두 천체 사이에 위치하였기 때문이다. 그러나 국제천문연맹은 아직 이 현상에 대해 공식적인 정의를 내놓지는 않았고, 카론은 일단 명왕성의 위성으로 정의되어 있다.
2015년 7월 14일에는 뉴 허라이즌스 탐사선이 명왕성을 최초로 방문하여, 명왕성 근처를 비행하면서 명왕성과 위성들을 관측하고 각 천체들의 특성을 측정하였다.
명왕성 발견
명왕성은 1930년 2월 18일에 클라이드 톰보(Clyde Tombaugh)에 의해 발견되었다.
1840년대 위르뱅 르베리에와 존 카우치 애덤스는 천왕성 궤도의 섭동을 분석하여, 당시에 아직 발견되지 않았던 해왕성의 존재와 그 위치를 계산하여 예측하였다. 그러나 해왕성 발견 후, 이 행성의 궤도에도 오차가 있는 것으로 밝혀졌다. 이 사실은 해왕성 바깥쪽에 다른 행성이 존재한다고 여겨지게 하였다. 화성의 운하를 관측한 것으로 유명한 천문학자 퍼시벌 로웰은 해왕성 너머로 궤도에 영향을 미치는 또 다른 행성이 있을 것으로 추정하고 이를 행성 X라 불렀다. 그러나 사실 명왕성의 크기는 매우 작은데다가, 명왕성보다 훨씬 큰 해왕성의 궤도에 지장을 주기에는 질량이 너무나도 작다. 그래서 계산에 의하기보다는 우연히 발견했다고 봐도 큰 무리가 없다. 나중에 관측 여건이 좋지 않아서 이러한 오차가 생긴 것임을 알게 되었다.
명왕성 발견
로웰은 애리조나에 천문대를 건설하고, 9번째 행성을 찾기 위한 프로젝트에 돌입했다. 명왕성이 해왕성에게 섭동을 주어 궤도 오차가 생긴것으로 인식하고 그 궤도를 계산해냈고, 1909년에는 행성 X의 예상 위치가 몇 개 제안되었다. 이 프로젝트는 1916년 로웰이 사망하기까지 진행되었지만, 명왕성을 찾지는 못했다. 로웰은 알지 못했지만 1915년에는 명왕성의 흐릿한 이미지가 찍혔는데도 이를 알아채지 못하고 지나간 적이 있었다. 그 외에도 15번 정도 사전 포착된 적이 있었으며, 가장 오래된 것은 1909년 버크스 천문대에서 사전 포착된 것이다.
명왕성 발견
로웰 사후에는 그 미망인 콘스턴스 로웰이 천문대의 지분에 대해 유산 상속 권리를 주장해 법정 싸움이 이어지는 통에, 행성 X에 대한 탐사는 1929년 23세의 클라이드 톰보가 탐사 업무를 인계받을 때까지 재개되지 못했다. 톰보는 당시 최신 기술이었던 천체 사진을 이용하여 빈 동일한 지역의 사진을 2주 간격으로 두 장을 촬영한 후, 그 이미지 사이에서 위치가 바뀐 천체를 분석하는 방법으로 탐색을 진행했다. 촬영한 방대한 사진을 열심히 분석한 결과, 톰보는 1930년 2월 18일에, 같은 해 1월 23일 및 1월 29일 촬영된 사진에서 움직이고 있다고 생각되는 천체를 발견했다. 1월 20일에 찍힌 사진도, 질은 나빴지만 움직임을 확정하기에는 충분했다. 로웰 천문대는 더욱 확증적인 사진을 얻기 위해 노력했고, 이후 발견 소식을 1930년 3월 13일에 하버드 대학 천문대에 전보로 보냈다. 그 후 명왕성의 사진은 1915년 3월 19일까지 거슬러 발견되었다. 이와 같은 경위로 발견된 날짜는 일반적으로 1930년 2월 18일이지만, 소행성 센터에 등록된 목록에서 발견 일은 같은 해 1월 23일로 되어 있다.
명왕성 이름
명왕성의 발견은 전 세계적인 화제가 되었고, 이 새로운 별을 명명할 권리를 가지고 있었던 로웰 천문대는 ‘아틀라스’부터 ‘자이멀’(Zymal)에 이르는 이름까지 전 세계에서 1000건 이상의 제안을 받았다. 톰보는 다른 사람보다 빨리 이름을 제안하라고 베스토 멜빈 슬리퍼를 재촉했다. 콘스턴스 로웰은 제우스를 제안했다가, 퍼시벌(Percival) 그리고 결국에는 그녀 자신의 이름인 콘스턴스로 제안을 했다. 이러한 제안들은 모두 기각되었다.
명왕성(Pluto)라는 이름을 제안한 이는 베네티아 버니(1918–2009)로 잉글랜드 옥스포드의 11살 소녀였다. 베네티아는 고전 신화와 천문학 모두 관심을 가지고 있었으며, 그 이름을 로마 신화의 저승의 신이 어둡고, 추울거라고 생각되는 세상에 적합한 이름이라고 생각했다. 그녀는 그 이름을 옥스포드 대학 보들레이안 도서관 전 사서였던 할아버지 팔코너 마단과 상의를 통해 결정했다. 마단은 그 이름을 허버트 홀 터너 교수에게 전달했고, 그는 미국의 동료들에게 전보를 보냈다.
명왕성 이름
명왕성이 공식적으로 명명된 것은 1930년 3월 24일이었다. 로웰 천문대원은 세개의 목록에 있는 것 중 하나를 투표할 수 있었다. 미네르바(이것은 당시에 이미 소행성의 이름이었다.), 크로노스(이것은 당시 인지도가 높지 않던 토머스 제퍼슨 잭슨 씨에 제안되었지만 명성을 잃어버렸다.)와 플루토가 그 목록에 오른 이름이었다. 결과적으로 플루토가 만장일치로 뽑혔다. 이 이름은 1930년 3월 1일에 공표되었다. 이 이름이 공표되자마자 마단은 손녀 베네티아에게 5파운드를 주었다. 이 명칭 Pluto의 첫 두 글자가 퍼시벌 로웰의 이니셜인 PL과 일치한다는 것도 결정에 일부 영향을 주었다. 또한 명왕성의 천문 기호(, unicode ♇)는 P와 L을 한 글자로 겹쳐놓은 것이다. 명왕성의 점성술 기호()는 해왕성()과 비슷하지만, 삼지창의 가운데에 원이 그려져 있다.
명왕성 이름
이 이름은 곧 널리 사용되기 시작했다. 1930년 월트 디즈니는 미키 마우스의 개 동료로 플루토를 만들었는데, 디즈니 애니메이터 벤 샤프스틴은 왜 그런 이름이 붙여졌는지 확언하지 못했다. 1941년에 글렌 T. 시보그는 우라늄 (천왕성), 넵투늄 (해왕성) 등 새롭게 발견된 행성의 이름을 원소의 이름에 붙이던 관습에 따라 명왕성 다음으로 만들어진 새 원소에 플루토늄이라는 이름을 붙였다.
이 플루토(그리스 신화에서는 하데스)에 해당하는 한자 문화권에서 사용하고 있는 「명왕성(冥王星)」이라는 이름은 일본인 노지리 호에이(野尻抱影)의 아이디어로, 《과학화보》 1930년 10월호에서 새로 발견된 행성에 붙일 이름으로 ‘유왕성’(幽王星)이라는 이름과 함께 제안한 것이며, Pluto의 한자의역이라 할 수 있다. 중국에서는 1933년 무렵에 이 이름을 채택해 사용하기 시작했으며, 한국어 명칭인 명왕성은 정확히 채택된 시기는 알 수 없으나, 일본, 중국과 같은 한자이기 때문에 비슷한 시기에 일본을 통해 자연스럽게 보급된 것으로 보인다. 같은 한자권이지만 베트남어에서는 이 행성에 힌두교와 불교에서 지옥의 수호신인 염마(閻魔)에서 따온 Diêm Vương Tinh(염왕성 閻王星) 또는 Sao Diêm Vương(염마의 별)이라는 독자적 명칭을 쓰고 있다.
명왕성 특성
명왕성의 겉보기등급은 평균 15.1등급이고, 근일점에서는 13.65 등급까지 밝아진다. 맨눈으로는 관측할 수 없고 구경이 30 cm 정도 되는 망원경이 필요하다. 각지름이 0.11" 밖에 되지 않기 때문에 그냥 별처럼 보이고, 큰 망원경으로도 고리 등은 관측할 수 없다.
표면 지도는 1980년대에 최초로 만들어지기 시작했는데, 위성 카론과의 식에 의한 밝기 변화를 이용했다. 예를 들어 카론이 명왕성의 밝은 부분을 가렸을 때와, 어두운 부분을 가렸을 때 전체 밝기가 변화하는 정도가 다르므로, 이를 이용해 표면의 어느 부분이 밝고 어느 부분이 어두운지를 알아낼 수 있다. 여러 관측 결과들을 컴퓨터를 이용해 처리해서, 최종적인 밝기 지도를 만들 수 있었다. 이 방법으로 시간에 따른 밝기의 변화 또한 추적할 수 있었다.
명왕성 특성
현재의 지도는 훨씬 높은 분해능을 가지는 허블 우주 망원경을 이용해 만들어낸 것으로, 수백 킬로미터 단위의 변화를 확인할 수 있고, 극지방과 가장 밝은 지역을 확인할 수 있는 등 조금 더 상세하다. 이 지도를 만드는 데에도 허블 망원경이 보내온 몇 픽셀에 가장 잘 맞는 표면 지도를 찾기 위해서 매우 복잡한 컴퓨터 처리가 필요했다. 여기에 사용된 허블 망원경의 2개 카메라는 더 이상 작동하지 않기 때문에, 2015년까지는 이 지도가 명왕성의 가장 정밀한 지도가 되었다.
이 지도들이나 명왕성의 적외선 스펙트럼의 주기적인 변화 등을 참고해 보면, 명왕성의 표면은 색상이나 밝기가 꽤 다양고 변화가 큰 편으로, 태양계에서 색상 대비가 가장 뚜렷한 별들 중 하나에 속한다. 표면 색상은 차콜 블랙이나 어두운 오렌지색에, 흰색도 보인다. 화성보다는 훨씬 붉은 기가 적고, 색상으로 따지면 이오와 훨씬 비슷하고 오렌지색이 좀더 강하다.
명왕성 특성
1994년과 2002년-2003년에는 명왕성 표면에 변화가 있는데, 북극 지방이 밝아지고 남쪽 반구는 어두워졌다. 또한 전체적으로 붉은색이 2000년-2002년 사이에 크게 증가했는데, 이런 변화는 계절 변화와 더불어 명왕성 대기의 승화 작용이 명왕성의 큰 궤도 경사각과 이심률로 인해서 증폭되었기 때문인 것 같다.
표면을 분광학적으로 분석해 보면 98% 이상이 고체 질소로 구성되어 있고, 메탄과 일산화탄소도 약간 존재한다. 카론을 향한 쪽 반구에 메탄 얼음이 더 많고, 반대쪽 반구에는 질소와 일산화탄소 얼음이 조금 더 많다.
명왕성 특성
허블 망원경의 관측에 따르면 명왕성의 밀도는 1.8 ~ 2.1 g/cm3 정도 되고, 내부 조성은 질량의 대략 50~70% 정도는 바위층이, 30~50% 정도는 얼음이 차지할 것으로 보인다. 방사성 붕괴를 일으키는 원소들이 얼음을 충분히 가열해 주어 바위층과 얼음층은 분리되어 있을 것으로 생각되고, 바위층은 밀도가 높은 핵을 형성하고 얼음층은 맨틀을 형성하고 있을 것이다. 핵의 지름은 대략 1700 km 정도일 것으로 가정하고 있고, 이는 명왕성 직경의 70%이다. 내부 가열이 오늘날까지 지속되고 있다면 핵과 맨틀 사이에 100~180 km 정도 두께의 액체 물층이 형성되어 있을 수도 있다. 독일 우주항공 센터의 행성 연구 기관의 계산에 따르면 명왕성의 밀도-반지름 비율은 (천왕성이나 토성의 위성들 같은) 얼음 위성들과 (목성의 이오 같은) 바위 위성들의 중간쯤에 위치하고, 트리톤과도 비슷하다.
명왕성 특성
명왕성의 질량은 지구의 0.2퍼센트 정도인 1.303×10^22kg이고, 부피는 약 0.6퍼센트인 6.97×10^9km3이다. 지름은 2372 km, 표면적은 1.795×10^7km2이며, 이는 러시아의 면적과 비슷한 수준이다. 적도 중력은 지구 중력의 약 6퍼센트에 불과한 0.063g이다.
1978년 위성 카론의 발견으로 인해서, 케플러 제 3법칙을 이용하여 명왕성의 질량을 알아내는 것이 가능해졌고, 적응 제어 광학의 발명으로 카론과의 식을 이용해서 명왕성의 직경 및 모양새도 더 정확하게 측정할 수 있었다. 2015년 뉴 허라이즌스 호가 탐사하기 전까지는 대기권 때문에 정확한 행성체 크기를 알아내기가 어려웠다. 알베도는 0.49-0.66 사이에서 변화한다.
명왕성은 지구형 행성들에 비해서도 훨씬 질량이 작고, 달 질량에 비해도 20%도 되지 않는다. 위성인 가니메데나 타이탄, 칼리스토, 이오, 유로파, 트리톤 등도 명왕성보다 질량이 크다. 왜행성이자 소행성대에서 가장 큰 천체인 세레스와 비교하면, 직경은 2배, 질량은 12배 크다. 반면 2005년에 발견된 에리스보다는 가볍다.
명왕성 특성
명왕성의 대기와 탄화수소 안개 때문에 정확한 크기의 추정이 다소 어렵다. 2014년에는 명왕성 대기의 메탄 비율을 고려했을 때 직경은 2360 km 이상이라는 연구 결과가 발표되기도 했는데 이에 따르면 명왕성이 에리스보다는 조금 큰 것이다. 2015년 7월 13일에 뉴 허라이즌스 호에 탑재된 망원정찰영상기(LORRI)가 보내온 사진과 다른 관측 장비를 통해 분석한 결과 명왕성의 직경은 2,370km로 판단되었고, 이후 7월 24일에 2,372km인 것으로 수정되었다.
명왕성 특성
명왕성의 대기는 표면의 물질들로부터 만들어진 질소, 메탄 및 일산화탄소의 얇은 층으로 구성되어 있다. 표면 기압은 6.5~24μbar가량 된다. 명왕성의 잡아늘려진 궤도는 이 대기권에 매우 큰 영향을 준다. 명왕성이 태양으로부터 멀어지면, 대기의 물질들은 얼어붙어 지표면에 떨어진다. 태양에 다시 가까워지면, 표면의 온도가 올라가 이 물질들이 다시 승화를 일으켜 대기권으로 올라간다. 이에 따라 땀을 흘리면 몸이 시원해지는 것처럼 온실 효과와는 반대 현상이 발생한다. 표면의 물질들이 승화하면서 열을 빼앗아가는 것이다. 과학자들은 서브밀리미터 집합체를 사용해서 명왕성의 표면 온도가 약 43K로 예상치보다 10K 정도 더 낮다는 것을 알아냈다.
강력한 온실 가스인 메탄의 존재로 인해서 대기는 10 km 정도 고도에 표면보다 36K 정도 더 따뜻한 역전층을 형성한다. 대기권 하층부가 상층부보다 메탄을 더 많이 포함하고 있다.
명왕성 대기권의 존재 증거는 이스라엘 와이즈 천문대의 노아 브로치와 하임 멘델슨에 의해 1985년에 최초로 제기되었고, 1988년에 카이퍼 에어본 천문대가 명왕성이 주변의 다른 별들을 가리는 것을 관측하여 발견했다. 대기권이 없는 천체가 다른 별 앞으로 움직이면, 별은 '갑자기' 사라진다. 명왕성의 경우에는 별이 흐릿해지면서 천천히 사라졌다. 흐릿해지는 정도를 봤을 때 기압은 약 0.15 파스칼로 밝혀졌고, 이는 지구의 약 70만 분의 1이다.
2002년에 파리 천문대의 브루노 시카르디, MIT의 제임스 L. 엘리엇, 윌리엄스 대학의 제이 파사초프 등이 이끄는 연구팀은 명왕성이 다른 별을 가리는 것을 관측했다. 이 때는 명왕성이 1988년에 비해 태양에서 더 멀었기 때문에 더 추운 날씨로 엷어진 대기를 가져야 하는데, 놀랍게도 표면 기압은 0.3 파스칼 정도로 계산되었다. 이 모순에 대해, 1987년에 명왕성의 남극이 120년만에 햇빛을 받아 더 많은 질소가 극관으로부터 승화했을 것이라는 설명이 있다. 질소가 승화해서 대기를 채우고 다시 어두운 북극에서 얼어붙기까지는 수십 년이 걸린다는 것이다. 같은 연구에서 명왕성 대기에 바람이 불고 있다는 최초의 증거도 제시되었다. 2006년에도 호주에서 명왕성이 또다른 별을 가리는 현상을 제임스 엘리엇과 제이 파사초프, 그리고 레즐리 영 등이 이끄는 사우스웨스트 연구소 팀이 호주에서 관측을 진행했다.
2006년 10월에 뉴 허라이즌스 공동연구자인 NASA/Ames 연구 센터의 데일 크뤽생크와 그 동료들은 분광기를 이용한 명왕성 표면 조사에서 에탄의 존재를 발견했다고 발표했다. 이 에탄은 명왕성 표면과 대기의 얼어붙은 메탄이 햇빛에 의한 광분해 또는 대전된 입자들에 의한 방사성 분해에 의해 만들어진다.
명왕성 위성
명왕성에는 5개의 위성이 존재한다. 추가로 더 발견할 수도 있다. 1978년 제임스 크리스티가 발견한 카론과, 2005년 발견된 닉스와 히드라, 그리고 2011년 발견된 케르베로스와 2012년 발견된 스틱스이다.
명왕성의 위성들은 다른 행성계에 비해 유독 명왕성 가까이에 자리 잡고 있다. 예를 들어 해왕성의 위성 프사마테는 해왕성을 힐 권의 40% 반경에서 공전한다. 명왕성의 경우, 위성들은 명왕성의 힐 권 반경의 최대 53% 거리에서 (역행 궤도로 돈다면 최대 69%) 공전 가능하나, 모든 위성들은 힐 권 안쪽 3% 반경 이내에 위치한다. 발견자에 따르면, 명왕성계는 고도로 압축되고 비어 있다. 그러나 고리를 포함해서 다른 천체들이 추가로 존재할 가능성도 지적되었다.
카론은 명왕성의 위성중 가장 크다. 몇몇 천문학자는 명왕성-카론을 이중행성으로 보기도 한다.
명왕성과 카론은 서로 같은 면만을 바라보며 마치 아령처럼 서로 공전한다. 이 두 천체의 관계는 다른 천체-위성의 관계처럼 주종 관계가 아니라 공존하는 관계로 보인다. 작은 위성인 닉스와 히드라는 명왕성과 카론의 주위를 동시에 돌고 있다. 그리고, 과거에 세레스(소행성)이 있었는데
명왕성 위성
카론이 발견되고 세레스가 왜행성으로 분리되었다.
죽은이를 태우고 저승(Pluto)으로 가는 강을 건너는 뱃사공의 이름인 카론에서 따온 이름이다.
2005년 5월 15일, 허블 우주망원경을 통해 명왕성의 위성 둘이 추가로 발견되었다. 이 두 위성에는 임시로 S/2005 P 1과 S/2005 P 2라는 이름이 붙여졌다. 2006년 6월 21일 국제천문연맹은 이 두 위성에 그리스 신화의 밤의 여신 닉스(이전 이름 P 2)와 목이 아홉개인 물뱀 히드라(이전 이름 P 1)라고 정식으로 이름붙였다.
닉스의 크기는 51×41×36 km, 히드라의 크기는 55×40 km정도이고, 카론보다 2배 이상 먼 거리에 있다.
명왕성 위성
2011년 7월 20일 미항공우주국(NASA)은 허블 우주망원경을 이용하여 명왕성의 새로운 위성을 발견했다고 발표하였다. 이 위성은 임시로 P4(또는 S/2011 P 1)란 명칭이 부여되었으며 명왕성으로부터 약 59,000 km 거리에서 위성 닉스의 공전 궤도 바깥쪽, 위성 히드라의 공전 궤도 안쪽을 약 31일 주기로 공전하는, 직경 13~34 km 정도의 작은 위성으로 확인되었다. 이 위성은 명왕성의 고리를 찾던 가운데 2011년 6월 28일 처음으로 관측되었고, 뒤이어 7월 3일과 7월 18일의 관측에 의해 그 존재가 확정되었으며 공전 궤도와 공전 주기도 계산되었다. 2011년 7월 현재 명왕성의 고리는 확인되지 않고 있다.
명왕성 위성
2012년 7월 11일 미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA) 과학자들은 허블 우주망원경을 이용해 명왕성 주위를 공전하는 다섯 번째 위성을 발견했다.”고 발표했다. 이 위성은 임시 명칭인 P5 또는 S/2012로 명명되었으며 2013년 7월 2일 국제천문연맹(IAU)에서 스틱스(Styx)라는 현재의 명칭이 확정되었다. 허블망원경에 의한 초기 관측에서는 지름이 10 km 내지 24 km 정도인 것으로 추정되었으나 2015년 7월 13일 뉴 허라이즌스 호가 촬영하여 2015년 10월 5일 지구에 전송된 사진을 분석한 결과 장축 약 7 km, 단축 약 5 km 정도로, 예상보다 더 작은 천체인 것으로 나타났다. 이는 2011년에 발견된 케르베로스의 크기보다 작아, 2015년 10월 현재 알려져 있는 명왕성의 5개 위성 중 스틱스가 가장 작은 위성이라 할 수 있다.
스틱스는 불규칙한 모양이며 명왕성에서 약 90,300 km 떨어진 곳에서 다른 명왕성의 위성들처럼 질서정연한 동심원 궤도를 돌고있으며, 이는 지구와 달간의 거리인 38만Km의 8분의 1정도의 거리이다. 이에 대해 미국 SETI 연구소의 행성천문학자 마크 쇼월터는 “마치 러시아 인형처럼 차곡차곡 쌓인 궤도를 돌고 있다.”고 설명했다. 당시 이러한 위성들의 발견은 2015년 NASA의 탐사선 뉴 허라이즌스 호가 더욱 안전하게 길을 찾는 데 도움을 줄 것으로 기대되었다.
명왕성 탐사선
원래 보이저 1호가 명왕성을 탐사할 계획이었으나, 예산 삭감과 관심 부족(당시에는 카론이 발견되기 전이었다.)으로 인해 이 계획은 취소되고 대신 토성의 타이탄에 대한 근접 비행으로 대체되었다.
현재 처음으로 명왕성을 방문한 탐사선은 NASA의 뉴 허라이즌스이다. 2006년 1월 19일 발사된 뉴 허라이즌스는 목성의 중력을 이용하여 2015년 7월 명왕성에 도착하였으며, 명왕성 표면으로부터 약 1만 2천550km 거리까지 접근하였다. 이 계획은 2000년 비용과 발사체 문제로 취소된 플루토 카이퍼 익스프레스 계획을 대체하는 계획이다.