(The north polar region of Jupiter’s volcanic moon Io was captured by NASA’s Juno during the spacecraft’s 57th close pass of the gas giant on Dec. 30, 2023. Data from that flyby and one on Feb. 3, 2024, is helping scientists understand Io’s interior. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS Image processing by Gerald Eichstädt)
(This graphic illustrates the areas of Io sampled by the Microwave Radiometer instrument aboard NASA’s Juno spacecraft during two close flybys of the Jovian moon. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/USGS)
나사의 주노 탐사선은 본래 목성 탐사가 주 목적이지만, 연장 임무를 통해 목성의 세 위성 - 이오, 유로파, 가니메데 - 역시 관측했습니다. 주노는 점점 목성 궤도 안쪽으로 이동하면서 2023년 12월 30일과 2024년 2월 3일 근접 비행에서 가장 안쪽에 있는 화산 위성 이오에 표면에서 약 1500km 거리까지 접근했습니다.
이때 주노는 최초로 이오 표면 아래 온도를 측정해서 이오에서 상당한 열이 발생하고 있음을 알아냈습니다. 두 차례의 근접 비행을 통해 수집된 데이터는 또한 이오 표면 대부분이 놀라울 정도로 매끄럽고 밀도가 매우 낮은 물질로 구성되어 있음을 확인했습니다.
작은 위성인 이오가 태양계에서 가장 활발한 화산 활동을 보이는 것은 조석 가열 (tidal heating) 때문입니다. 이오는 목성의 엄청난 중력에 의해 약간 타원형 궤도를 따라 공전하면서 거리에 따른 중력 차이에 따라 끊임없이 늘어나고 줄어듭니다. 이 과정에서 마찰에 의해 열이 발생하는데, 이를 조석 가열이라 합니다.
지금까지 이오에 열에 대해 알려진 정보는 표면 온도만을 측정하는 적외선 관측에 기반했습니다. 하지만 과학자들은 주노 탐사선의 마이크로파 복사계(Microwave Radiometer (MWR)) 장비 덕분에 더 아래에 있는 열에너지를 측정할 수 있습니다.
사우스웨스트 연구소의 주노 탐사선 책임 연구원인 스콧 볼턴(Scott Bolton, Juno's principal investigator at Southwest Research Institute)과 동료들은 이 데이터를 분석해 이오 표면 아래 온도를 분석하고 이오에서 나오는 열에너지를 매우 상세히 확인했습니다.
주노 탐사선의 마이크로파 복사계(MWR)는 사실 볼턴이 설계한 것으로 목성의 구름층 아래를 관측하여 거대 가스 행성 목성의 심층 대기의 역학과 구성을 조사하는 것이 목적이었습니다. 6개 마이크로파 안테나가 하나의 장비처럼 작동하여 약 1.3cm에서 51cm에 이르는 넓은 파장 범위의 마이크로파를 동시에 감지하는 방식으로 작동합니다.
주노 임무 연장 단계에서 MWR은 목성의 갈릴레이 위성인 가니메데, 유로파, 이오의 표면 아래를 관측했습니다. 파장이 길수록 장애물을 잘 통과하기 때문에 더 아래까지 투과할 수 있기 때문입니다. 다만 유로파의 경우 얼름 지각 수십km 아래까지 측정했지만, 암석층은 깊이 투과하지 못했기 때문에 이오에서는 최대 수십 피트 정도 아래를 측정했습니다.
관측 결과 불과 1m 정도 깊이에서도 온도가 섭시 4도 정도로 상승했는데, 이는 태양열로는 설명할 수 없는 높은 지열로 이오 내부에서 조석 마찰에 의해 상당한 열이 발생하고 있다는 점을 시사합니다. 이렇게 열이 잘 발산되는 이유에 대해서 연구팀은 두 가지 가설을 세웠습니다.
첫 번째 가설은 열이 전도성이 높은 지각을 통해 꾸준히 제곱미터당 1~3와트로 발산된다는 것입니다. 이 열은 국지적인 규모에서는 비교적 미미하지만 이오 전체로 보면 지구 평균의 최대 30배에 달하는 에너지를 방출하고 있습니다. 두 번째 가능성은 이오 표면의 약 10%를 덮고 있는, 약 9~11미터 두께의 식어가는 용암류에서 발생했을 가능성이 있습니다.
주노의 근접 비행을 통해 얻은 또 다른 중요한 사실은 이오 표면이 매우 매끄럽다는 것입니다. 사실 이오는 높은 화산으로 유명했지만, MWR 관측 결과에 따르면 눈에 보이는 지형 외에도 표면에는 100km 이상 뻗어 있는 광활하고 매끄러운 지역이 많다는 것을 알 수 있습니다.
주노 탐사선은 이오의 여러 지역을 서로 다른 각도로 근접 비행하면서 표면이 마이크로파를 반사하는 것을 다양한 각도에서 측정할 수 있습니다. 그 결과 알게 된 사실은 산맥에서 멀리 떨어진 곳의 표면은 북미의 대평원과 더 비슷하며, 표면 물질의 밀도는 매우 낮아 단단한 암석이라기보다는 부석이나 솜털 같은 화산재에 더 가깝다는 것입니다.
이는 이오가 잦은 용암 분출에 의해 다른 위성과는 다른 표면을 지니고 있다는 점을 시사합니다. 의외로 표면은 매우 부드럽거나 약하다는 의미로 나중에 표면 탐사선을 착륙시킬 때 매우 중요한 정보가 될 것입니다.
주노는 2028년까지 임무를 수행할 예정으로 마지막에는 목성 대기에서 불꽃이 되어 사라질 것입니다. 하지만 그전까지 중요한 정보를 계속 지구로 전송해 목성과 그 위성에 대한 우리의 지식을 크게 넓혀 줄 것입니다.
참고
https://phys.org/news/2026-07-juno-temperature-jupiter-fiery-moon.html
Shannon Brown et al, Io Sub‐Surface Temperature Profile Observed by the Juno Microwave Radiometer, Journal of Geophysical Research: Planets (2026). DOI: 10.1029/2025je009622
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