태양계 이야기 42 - 태양계의 모험자들 (뉴 호라이즌)

 뉴 호라이즌 호는 앞서 태양계 외각을 탐사했던 탐사선들인 보이저 1/2 호 및 파이오니어 10/11 호의 명맥을 잊는 태양계 외각 탐사선이다. 특히 이때 까지 아무도 직접 탐사하지 못한 왜행성인 명왕성계 (명왕성 - 카론 과 그 위성들) 을 직접 탐사할 첫번째 탐사선으로 기대가 매우 크다고 하겠다. 금일 포스팅인 이 뉴 호라이즌 호에 대한 이야기다. 

(명왕성의 옅은 대기를 탐사하는 뉴 호라이즌 호의 상상도   This file is in the public domain because it was created by NASA. )



 1. 뉴 호라이즌 호 발사의 배경


 현재도 나사는 지구상에서 가장 독보적인 위치에서 우주 탐사를 선도하는 기관이다. 그러나 냉전 이후 우주 개발에 대한 예산 자체를 쉽게 확보하기 힘들어졌고, 미 연방 정부의 재정 적자가 점차 증가하는 상황에서 우주 탐사 관련 예산 자체가 결국 삭감의 대상이 될 수 밖에 없는 환경이 조성된 것도 사실이다.


 이런 배경하에서 나사는 가능하면 더 저렴한 방법으로 우주 탐사를 가능하게 할 방법을 모색했다. 그러기 위해서는 과거처럼 거대한 크기의 우주 탐사선을 발사하는 것 보다는 비슷한 기능을 하더라도 작은 우주선을 보내는 것이 비용대 효과 면에서 훨씬 유리했다.


 나사는 이런 계획하에 새로운 태양계 탐사 계획인 뉴 프론티어 프로그램 (New Frontiers program) 을 추진했다. 이는 7억 달러의 비교적 저렴한 (?) 예산으로 태양계 탐사를 추진하겠다는 계획이었다. 이 계획의 첫번째는 바로 명왕성 탐사 계획인 뉴 호라이즌 (New Horizons) 이었다.


 뉴 호라이즌은 2010년 까지 현재 진행 중인 유일한 뉴 프론티어 프로그램으로 명왕성 및 해왕성 외각의 태양계 천체들을 일컫는 카이퍼 벨트 (Kuiper Belt) 천체 탐사 계획으로 추진되었다.


 본래 명왕성 탐사 계획은 사실 보이저 1/2 호 탐사 계획에서도 추진된 바가 있다. 그러나 앞서 이야기 했듯이 뜻밖에도 토성의 위성 타이탄에서 매우 흥미로운 두꺼운 대기층이 관찰 되었기 때문에 과학자들은 훨씬 안전하고 과학적 가치가 높다고 생각된 타이탄 탐사 미션에 보이저 1호를 투입했던 것이다. (보이저 2호는 해왕성 및 천왕성 관측)


 따라서 명왕성 탐사는 훗날 다른 탐사선에게 미뤄야할 과제가 되었다. 비록 타이탄이 아주 흥미로운 위성임에는 분명하지만 명왕성 역시 아주 흥미로운 탐사 대상임을 생각할 때 이는 몹씨 아쉬운 일이었다.



 2. 명왕성과 카이퍼 벨트


 명왕성에 대해서는 앞서 포스팅에서 설명한 바가 있듯이 ( http://blog.naver.com/jjy0501/100068404064   를 참조) 몇 가지 측면에서 아주 재미있는 천체이다. 일단 명왕성은 태양계에서 비슷한 크기의 천체에서는 볼 수 없는 쌍성계에 가장 가까운 천체이다.

(명왕성 (Pluto) 와 그 위성 (혹은 동반성) 인 카론 (Charon) 의 모습이다. 옆에는 다른 위성들인 닉스와 히드라가 보인다.  This file is in the public domain because it was created by NASA. )


 명왕성과 카론은 그 크기 차이가 거의 1:2로 화성과 지구 정도의 차이에 불과하다. 질량차이도 꼭 크기 차이 만큼 1:8 이다. 지구 - 달이 질량 차가 1:80 이 넘는 것과는 대조적이다. 이런 연유로 이 둘은 서로의 질량 중심을 중심으로 공전하고 있다. 그 거리는 불과 19640km 에 지나지 않을 정도로 가깝다. 지구 - 달 간 거리가 약 38 만 km 에 달하는 것을 생각해보면 거의 붙어서 도는 거나 마찬가지인 셈이다.


 그리고 이 둘을 중심으로 닉스와 히드라라는 작은 위성들까지 서로 공전하고 있다. 따라서 실제 이들이 서로 공전하는 모습을 시뮬레이션 한다면 매우 복잡한 모습을 띄고 있을 것이다. 사실 명왕성과 카론 주변에 카이퍼 벨트에는 아마도 작은 천체들이 제법 존재할 것이고 이들이 우연히 중력에 이끌려 포획될 가능성도 있다. 따라서 실제로 명왕성계는 4개보다 훨씬 많은 작은 천체들을 거느리고 있을지도 모른다.

 (참고 : 명왕성의 새로운 위성 -  http://blog.naver.com/jjy0501/100154895986  )

 서로 마주보면서 공전하는 천체와 그 주변을 도는 수많은 작은 위성들의 존재가 과연 밝혀질지 자못 기대되는 시점이다. 아직 존재가 밝혀지지 않은 위성이 있다면 아마도 닉스와 히드라 (이들의 크기는 닉스의 지름은 44~130km, 히드라의 지름은 60~165㎞정도로 생각된다) 보다는 다소 작은 크기일 것이다. 아무튼 명왕성계의 정확한 모습은 뉴호라이즌 호에 의해서 상당 부분 밝혀질 것으로 생각된다.


 한편 명왕성 자체도 매우 흥미로운 관측 대상인 것이 분명하다. 현재까지 우리는 카이퍼 벨트대에 존재하는 천체에 직접 탐사선을 보내 근접 관측한 적이 없다. 뉴 호라이즌 호는 명왕성에 근접하여 명왕성의 표면을 직접 촬영할 것이다. 뉴 호라이즌 호의 표면 관측이 관심을 끄는 데는 그럴만한 이유가 있다.


 첫째로 허블 만원경등으로 관측한 명왕성의 표면은 균일하지 않았고 마치 무슨 얼룩이 진것 같은 표면이었다. 이를 해석하면 표면에 어두운 곳과 밝은 곳이 있다는 이야기인데 이는 명왕성이 그냥 단순히 얼음에 덮힌 차가운 천체가 아니라는 반증이다. 어떤 독특한 지형이 존재할지 사실 현재로써는 아무도 알 수 없다.


 만약 명왕성에서도 태양계의 다른 얼음 위성에서 발견된 것과 비슷한 얼음 지형이나 화산, 간헐천 등이 발견된다면 현재까지 우리의 행성 과학에 대한 지식은 다시 한번 큰 변화를 겪을 것이다. 아니면 현재로썬 우리가 상상도 할 수 없는 지형이 명왕성에 지표에 펼쳐졌을지도 모른다. 그러면 더욱 재미있어질 것이다.

(명왕성 표면에 대한 상상도. 이 상상도에선 명왕성 표면이 거친 얼음 지형에 수많은 크레이터 들이 존재하는 것으로 묘사했다. 오른쪽 위에는 희미하게 빛나는 태양이 있다. 지구와 비교할 때 태양 에너지의 크기는 1000분의 1에 불과하기 때문에 낮에도 별이 보인다. 물론 가까이 있는 거대 위성 카론은 낮에도 매우 잘 보일 것이다. 위에서 왼쪽에 있는 천체가 아마도 카론으로 생각된다. 그리고 명왕성 미세한 대기 때문에 지평서이 흐려지는 부분이 묘사되어 있다. 실제 명왕성은 우리가 생각하는 상상도 보다 더 놀라운 지형을 하고 있을 지도 모른다.   CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자  ESO/L. Calcada )

(허블 우주 망원경의 관측 결과를 토대로 재구성한 명왕성의 표면, 얼룩 덜룩한 표면을 가진 것으로 보아서 결코 단순한 얼음 천체가 아니라는 반증이다. 현재 지구에서 관측한 결과로는 이 이상의 해상도를 알 수 없기 때문에 뉴 호라이즌 호의 관측 결과가 기대된다. This file is in the public domain because it was created by NASA.   )



 두번째로 주목할 만한 점은 바로 카론과의 공전을 관측하면서 밝혀진 사실로 명왕성에 매우 희미한 대기가 존재한다는 것이다. 그런데 명왕성에 일그러진 궤도 때문에 이 옅은 대기마저 매우 독특한 특성을 띄고 있다. 그것은 계절 별로 특정 계절에만 대기가 존재한다는 것이다. 과학자들은 명왕성의 궤도를 분석한 결과 메탄과 질소로 된 옅은 대기가 존재하려면 명왕성이 태양에 가까이 다가갈 때만 가능한 것으로 생각했다. 이런 연유로 만약 뉴 호라이즌 호가 너무 늦게 명왕성을 탐사하면 그 대기를 관측하기가 어려울 것이다.


 이렇게 멀리 떨어진 천체에 대기가 존재한다는 사실 자체가 놀랍지만 그 과학적 가치 또한 무시할 수 없기 때문에 과학자들은 서둘러 뉴 호라이즌 호를 발사했고 결국 늦지 않게 명왕성의 대기를 근접 관측할 수 있을 것이다. 

(이심률이 매우 큰 명왕성의 궤도 (빨간색) 이렇게 일그러진 궤도를 돌기 때문에 명왕성은 일시적으로 해왕성 궤도 안쪽을 돌기도 한다. 그리고 태양에 근접했을 때는 대기를 같는 것으로 보인다.   CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자   Orbits of Pluto (red) and Neptune (blue); polar view. Plotted by a program written by Eurocommuter.)



 카이퍼 벨트 역시 마찬가지이다. (카이퍼 벨트와 TNOs 에 대해서는 http://blog.naver.com/jjy0501/100066242667  를 참조)  본래 뉴 호라이즌호 의 일차적 목표는 바로 명왕성계의 탐사이지만 이것이 성공하면 카이퍼 벨트에 대한 추가 미션이 존재하게 된다. 아직 구체적으로 정해지지는 않았지만 뉴 호라이즌 호는 카이퍼 벨트대의 다른 천체에 근접해서 지금까지 작은 점으로 밖에 보이지 않는 카이퍼 벨트대의 천체들에 대해 직접 관측하고 그 자료를 지구로 전송해 줄 것이다.


 현재까지 과학자들은 카이퍼 벨트 대에서 수많은 작은 천체들을 발견했는데 그 가운데는 명왕성 보다도 결국 커서 왜행성 (dwarf planet) 이라는 새로운 용어를 탄생하게 만든 원인이 된 에리스 같은 천체들도 존재한다. 만약 여건이 허락한다면 뉴 호라이즌 호는 이름 그대로 카이퍼 벨트 대의 천체의 관측에 있어 새로운 지평을 열게 될 것이다.




 3. 뉴 호라이즌 호의 구조 


 뉴 호라이즌 호는 앞서 이야기 했듯이 예산 절감의 결과물이었다. 이전에 2012년까지 명왕성과 카이퍼 벨트대에 도달하여 이를 직접 관측하고자 했던 Pluto Kuiper Express 가 예산 문제로 취소되면서 나사의 과학자들은 적은 예산으로 비슷한 임무를 수행하고자 뉴 호라이즌 호를 계획했다.


 2001년에서 2016년까지 뉴 호라이즌 호를 위해 허락된 예산은 6억 5천만 달러였다. (제작 /발사 / 운영을 합친 예산) 이를 위해 나사는 다른 연구기관과 협력했다. 뉴 호라이즌 호는 텍사스의 비영리 연구 단체인 Southwest Research Institute (SwRI) 와 Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) 에서 주로 제작을 맡았으며 프로그램의 수석 과학자는 앨런 스턴 (Alan Stern http://en.wikipedia.org/wiki/Alan_Stern 참조 ) 이었다.


 사실 뉴 호라이즌 팀이 연구를 시작한 2001년에는 명왕성이 여전히 행성이었다. 따라서 뉴 호라이즌 계획 역시 태양계의 마지막 9번째 행성을 탐사하는 연구로 소개되고 있었다. 그런데 2006년 명왕성이 국제 천문학 연합 (IAU) 에 의해 왜행성으로 강등되는 비극을 겪게 된다.


 다만 앨런 스턴을 비롯한 팀의 과학자들 가운데는 이 의견에 동의하지 않는 사람들이 있었기 때문에 이들의 계획은 사실 아무 영향도 받지 않았다고 한다. 다만 명칭에 있어서는 새롭게 발견된 닉스와 히드라의 이니셜인 N/H 를 따서 뉴 호라이즌 이라는 정식 프로젝트 명을 붙였다고 한다. 카이퍼 벨트 연구의 새 지평을 연다는 점에서 적절한 센스의 네이밍으로 생각된다.


 뉴 호라이즌 호는 아주 먼 거리에 천체를 탐사하는 탐사선 답게 작게 만드려고 노력하긴 했지만 그래도 여전히 아주 작지는 않은 크기의 탐사선이었다. 그 무게는 478 kg으로 선대의 파이오니아 우주선 보다 크고 보이저 호보다 작았다. 본체 크기는 거의 그랜드 피아노만 한데 거기에 큰 안테나가 달려있었기  때문에 개발진들은 '스포츠카 크기의 접시를 단 피아노' 라는 명칭을 붙였다.

(발사 직전 단계의 뉴 호라이즌 호. 대략적인 크기를 짐작해 볼 수 있다.  This file is in the public domain because it was created by NASA. ) 


 뉴 호라이즌 호의 몸통은 0.76m 크기의 삼각형 모양이며 여기에 2.1m 지름의 접시형 안테나가 달려있다. 그리고 우주선 옆에는 이미 보이저 및 파이오니어 호에서도 친숙한 RTG, 즉 원자력 전지가 달려 있다. (위의 사진에서 검은색 원통형 물체) 사실 카이퍼 벨트 대까지 안정적으로 전력을 공급하려면 다른 대안이 없을 수 밖에 없다.


 뉴 호라이즌 호에는 MIPS R3000 (MIPS 라 ...) CPU 를 탑재한 2개의 컴퓨터가 데이터를 처리하기 위해 탑재되어 있고 데이터 저장을 위해 8 GB 용량의 Solid State Recorder (플래쉬 메모리 기반의 저장 장치. SSD 와 비슷한 듯) 가 하나는 primary 하나는 back up 용도로 탑재되어 있다. 주요 관측 장비는 아래와 같다.

 Long Range Reconnaissance Imager (LORRI)

 : 이 기기는 가시 광선 영역 관측을 위한 고성능의 고 해상도 CCD 카메라이다. 현재까지 개발 된 것 중 가장 강력한 우주 관측 CCD 소자가 탑재되어 있다. 명왕성 및 다른 천체의 고해상도 컬러 사진을 보네올 것으로 기대된다. 무게는 8.4 Kg

Pluto Exploration Remote Sensing Investigation (PERSI)

 : 이 장치는 Ralph 와 Alice 라는 두개의 관측장비로 이루어져 있다. 이 장비들은 가시광 외에도 적외선 및 자외선 영역의 관측을 시행한다. 랄프와 앨리스는 약자가 아니라 1950년대 TV 쇼인 Hooneymooner 에 나오는 부부의 이름이라고 한다.


 Plasma and high energy particle spectrometer suite (PAM)

 : 이 장치도 SWAP 과 PEPSSI 라는 두개의 장비로 이루어져 있다. 하는 일은 이온 및 전자를 관측하는 것이다.
 Venetia Burney Student Dust Counter (VBSDC)

 : 이 장치는 카이퍼 벨트 대에서 이름 그대로 먼지의 갯수를 측정하는 장치이다. Student Dust Counter 라는 이름은 콜로라도 대학의 학생들이 만든 장치라는 것을 나타내기 위한 것이다.


 그 외에 전파 관측 장비로 Radio Science Experiment (REX) 라는 것도 있다.



4. 발사와 미션


 뉴 호라이즌 호는 2006년 1월 19일 발사되었다. 발사는 Cape Caneveral 공군 기지에서 이루어졌으며 로켓은 아틀라스 로켓을 사용했다.

(아틀라스 V / 센타우르 로켓에 실려 발사되는 뉴 호라이즌 호  This file is in the public domainbecause it was created by NASA.)


 뉴 호라이즌 호는 지구에서 발사 속도를 기준으로 했을 때 신기록을 수립한 탐사선이었다. ( Fastest Spacecraft Ever Launched) 이 탐사선의 발사 속도는 사상 최초로 태양계 탈출 속도인 16.5 km/s 였다. 사실 지금까지 플라이 바이 (flyby) 없이 이 속도에 도달한 우주선은 뉴 호라이즌 호가 최초 였다고 할 수 있다. 그러나 현재 속도를 기준으로 해서 가장 빠른 우주선은 바로 보이저 1호 이다. (17.145 km/s)


 아무튼 이렇게 빠른 속도 덕분에 뉴 호라이즌 호는 2006년 4월 7일에 벌써 화성 궤도를 통과했다. 그러나 이는 앞으로 10여년의 대장정의 시작일 뿐이었다. 2006년 5-10월에 뉴 호라이즌 호는 소행성대를 통과했으며 2007년 1월 8일에는 목성에 근접하기 시작했다. 이후 2월 28일에는 목성에서 플라이 바이로 속도를 가속했다.


 뉴 호라이즌 호는 카이퍼 벨트를 향해 계속해서 여행을 지속해서 2008년 6월 8일에는 토성의 궤도를 지나쳤다. 이후 83982 Crantor 라는 소행성에서 플라이 바이를 하게 되고 2011년 3월 18일에는 천왕성, 2014년 8월 24일에는 해왕성 궤도를 통과하게 될 것이다. 마침내 2015년 7월 14일 에는 명왕성과 카론에 근접해서 플라이 바이를 하게 될 것이다. 마지막으로 2016 - 2020년 사이 카이퍼 벨트대의 다른 천체와 플라이 바이를 하고 난 후 임무를 종료하게 될 것이다.


 뉴 호라이즌 호는 현재 그 기나긴 여행을 지속하고 있는 중이다. 2015년에 뉴 호라이즌 호가 보내올 자료들이 또 한번 많은 이들에게 우주의 경외감을 심어줄 만한 것이 될지 기대하는 사람은 과학자들 만이 아닐 것이다. 5년후 미래를 조심스럽게 기대하면서 뉴 호라이즌 호가 무사히 미션을 종료하기를 기대해 본다.


 뉴 호라이즌 호의 미션 설명 동영상