목성은 태양계에서 가장 큰 행성으로, 태양에서 5번째로 가까운(태양으로부터 평균거리 778.57x10⁶ km) 거리에 있다. 목성형(또는 가스형) 행성을 대표한다.

질량은 지구의 약 317.83 배로, 1,898.29x10²⁴ kg이며, 부피는 지구의 1,321.33배로 14,3128x10¹⁰ km³이다. 기체로 이뤄진 가스형 행성으로, 고체 상태의 표면이 없기 때문에 대기압이 1 기압인 지역을 기준으로 크기, 즉, 지름을 정한다. 목성의 크기는 적도반지름은 지구의 약 11.2 배로 71,492 km이며, 극반지름은 지구의 10.517 배인 66,854 km이다. 적도반지름과 극반지름이 큰 차이를 보이는 이유는. 목성이 빠른 속도(목성의 1 일은 지구의 9.925 시간(즉, 자전주기)이다.)로 자전하기 때문이다. 그 결과, 기체로 이뤄진 목성은 원심력 때문에 적도 지역이 극 지역보다 불룩해졌다.

육안으로 보는 표면이 유체(기체)상태인 목성은 자전주기을 3가지로 구분해 시스템 I(System I)(극지역), 시스템 II(System II)(극 이외의 지역), 시스템 III(System III)(전파 방출원을 기준으로 정한 목성 내부)과 같이 표시하는데, 이 중 시스템 III이 가장 많이 사용된다.

목성의 위성은 1610년 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)가 가니메데(Ganymede)를 처음 발견한 이후 몇 년에 한 번씩 작은 위성들이 발견되고 있으며 2024년 3월 현재까지 95개가 목록화 되어 있다. 목성의 위성 가운데 가장 큰 4개의 천체를 갈릴레오위성 혹은 갈릴레오 4대 위성이라고 부른다. 이것은 1610년 이탈리아 천문학자 갈릴레오 갈릴레이가 처음 발견했기 때문이다. 갈릴레오위성의 이름은 목성으로부터 가까운 순서대로 이오(Io), 유로파(Europa), 가니메데(Ganymede), 칼리스토(Callisto)이며, 이 중 가니메데는 태양계에서 가장 큰 위성이다. 가니메데는 반지름이 2,631.2 km로 수성보다 크다.

목성은 기체로 이뤄진 행성으로 전체 구성 성분의 약 89%가 수소이며, 약 10%는 헬륨이다. 그밖에 메테인(약 0.3%)과 암모니아(약 0.026%), 중수소화합물(HD; 약 0.0028%), 에테인(약 0.0006), 물(0.0004%)과 같은 물질이 소량 포함돼 있다. 이 중 암모니아와 물, 황화수소 암모늄(NH₄) 등은 입자 형태(에어로졸)로도 존재한다. 표면에서는 그림1과 같이 밝은 줄무늬, 어두운 줄무늬, 작고, 큰 반점 등이 관측된다. 밝은 줄무늬를 대(존;Zone)로, 어두운 줄무늬는 띠(벨트;Belt)라고 부른다. 대와 띠에서는 바람의 속도가 다르게 나타나며, 최근 주노호 탐사 결과에 따르면 이러한 줄무늬는 3,000 km 깊이까지 이어져 있으며 목성 중력장의 불균질성 때문에 그 깊이가 달라지는 것으로 밝혀졌다. 이러한 무늬는 목성 대기 연구에서 목성 표면의 지역을 구분하는데 쓰이기도 한다.

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그림 1. 목성의 존(Zone)과 벨트(Belt) 별 명칭.(출처: 한국천문학회)

목성의 남반구 중위도에서는 커다랗고 동그란 형태의 현상이 관측되는데 이를 대적점(혹은 대적반, GRS; Great Red Spot)이라고 부르며 강력한 폭풍우 지역으로 알려져 있으며 남반구 열대 지역(South Tropical Zone)에서 나타난다. 또한 종종 작은 타원형태의 대기 현상이 관측되곤 하는데 이를 오발BA(Oval BA)이라고 부르며 남반구 온대 띠(South Temperate Belt)에서 나타난다.

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그림 2. 목성의 모습. 존(zone)과 벨트(Belt), 대적점이 잘 보인다.(출처: 박정용/한국천문학회)

최근(2018년 3월) 주노호 탐사 결과 목성의 양 극지방에서 여러 개의 소용돌이(Cyclone) 현상이 새롭게 발견되었다. 북극에는 지름 4,000~4,600 km에 이르는 소용돌이 8개가, 남극 주변에는 지름 5,600~7,000 km 정도의 5개가 둘러싸고 있다(그림3, 그림4). 그림에서 밝기와 색상이 다른 것은 적외선으로 촬영된 자료라서 온도가 다르게 나타났기 때문이다. 즉, 구름의 두께와도 관련 있으며, 하얗게 보일수록 두꺼운 구름을 나타낸다.

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그림 3. 주노호에 탑재된 목성 적외선 오로라 영상기(JIRAM)로 촬영한 자료를 바탕으로 재구성한 목성의 북극지역의 소용돌이 영상(출처:NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM)

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그림 4. 주노호에 탑재된 목성 적외선 오로라 영상기(JIRAM)로 촬영한 자료를 바탕으로 재구성한 목성의 남극지역의 소용돌이 영상(출처:NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM)

목성의 남위 22도 부근에 보이는, 목성을 대표하는 폭풍 현상으로, 1800년대에 처음 발견되었으며, 과학자들은 1600년대 이래로 지금까지 남아 있는 것으로 추측하고 있다. 2018년에 발표된 연구에 따르면 대적점은 점점 작아지고 있으며, 앞으로 10~20년 내에 사라질 수도 있을 것이라고 주장하는 과학자들도 있다.

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그림 5. 점차 크기가 줄어드는 목성의 대적점(출처: NASA/ESA/A. Simon (Goddard Space Flight Center))

목성의 내부 압력은 최고 1000 기압 이상이며, 1 기압인 지역에서는 온도가 약 165 K이다. 이처럼 압력과 온도의 관계는 행성 대기의 구조와 특성을 연구하는데 필수적이다. 현재까지 알려진 목성의 온도-압력관계는 그림 5와 같다.

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그림 6. 목성의 압력-온도관계 그래프(출처: 한국천문학회)

목성은 태양계 행성 중에 가장 강력한 자기장을 가지고 있다. 목성에서는 1 기압인 지역에서 자기장 세기가 4.0에서 13.0 G(가우스) 정도로 측정되며, 이는 지구보다 약 14 배 정도 강한 것이다. 목성의 자기장은 목성 내부에 액체 상태로 존재하는 금속성 수소가 소용돌이 운동을 일으킨 결과 생기는 맴돌이 전류 때문이라고 알려졌다. 목성의 중심으로부터 목성 반경의 75 배 정도 떨어진 곳에서, 목성의 자기권이 태양을 향하는 면과 태양풍이 서로 맞닿아 상호작용을 일으켜 뱃머리충격파(Bow shock)가 발생한다.

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그림 7. 목성의 오로라. 목성탐사선 주노호에 탑재된 자외선영상분광기(UVS)로 2016년 12월 11일 촬영한 목성 오로라의 모습(출처:NASA/JPL-Caltech/SwRI)

목성의 강력한 자기권은 극지역에서 오로라를 만드는 역할을 하며, 자외선 영역에서 뚜렷하게 보인다. 목성의 자기장은 강력한 전파방출을 일으키며, 목성 위성 이오의 화산활동 때문에 분출된 이산화황 기체가 목성 주변에 고리 모양으로 토러스(Torus)를 만드는 역할을 하기도 한다.

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그림 8. 목성의 자기장 구조(출처:Fran Bagenal & Steve Bartlett)