2003년 나사가 출범시킨 뉴프론티언스 프로그램은 중형급 예산으로 태양계의 미지 천체를 효율적으로 탐사하는 것을 목표로 했습니다. 그 첫 번째 주자가 바로 명왕성과 카이퍼벨트를 향한 뉴호라이즌스였습니다. 당시 명왕성은 인류가 직접 가보지 못한 유일한 행성이었으며, 그 내부 구조와 대기 성분, 위성 카론의 생성 과정 등 수많은 비밀을 간직한 천체였습니다. 이 탐사선은 태양계 외곽의 비밀을 풀어줄 인류의 중요한 열쇠가 될 운명이었습니다.
뉴호라이즌스의 설계와 발사 전략
뉴호라이즌스 탐사선이 명왕성을 목표로 삼은 이유는 명확했습니다. 지난 30년간 인류는 명왕성을 제외한 모든 행성을 탐사했고, 이제 남은 것은 명왕성뿐이었습니다. 명왕성은 과연 어떤 물질로 이루어져 있을까, 내부에서 지질 활동은 일어나고 있을까, 희미한 대기 속에는 어떤 성분이 숨어 있을까 같은 근본적인 질문들이 과학계를 맴돌고 있었습니다.
그러나 명왕성 탐사는 시간과의 싸움이었습니다. 명왕성은 1989년 근일점을 지난 후 태양으로부터 점점 멀어지고 있었습니다. 명왕성은 248년 주기로 태양을 타원 궤도로 공전하는데, 멀어질수록 탐사 비용은 증가하고 관측 조건은 악화됩니다. 지구에서 명왕성까지의 거리는 평균 60억 km로, 지구-태양 거리의 40배, 지구-달 거리로는 15,000번 왕복할 수 있는 엄청난 거리입니다. 빛의 속도로도 5시간 33분이 걸리는 이 거리는 명왕성이 멀어질수록 더욱 늘어나게 됩니다.
더욱 긴급한 문제는 명왕성의 대기였습니다. 명왕성이 태양에서 멀어지면 기온이 낮아지고, 질소 기반의 대기가 얼어붙어 표면에 응축될 가능성이 있었습니다. 또한 명왕성의 자전축은 약 120도로 거의 옆으로 누워 있어서, 극지방 일부는 20년에서 30년 가까이 태양빛을 전혀 받지 못하는 극한 상태에 빠집니다. 과학자들의 분석 결과 2015년은 명왕성의 약 75%를 관측할 수 있는 황금 타이밍이었습니다.
나사는 이 기회를 놓칠 수 없었습니다. 탐사선의 무게를 478kg으로 줄이고, 고체 연료 부스터 다섯 개를 장착한 아틀라스 5 552 발사체를 준비했습니다. 발사 순간 총 추진력 약 8.9MN은 대형 여객기 30대를 동시에 이륙시킬 수 있는 힘이었습니다. 그 결과 뉴호라이즌스는 초속 16.26km, 시속 58,500km의 속도로 지구를 탈출했습니다. 이는 2025년 현재까지도 인류 역사상 가장 빠른 지구 탈출 속도로 기록되어 있습니다. 흥미로운 점은 탐사선 무게를 최대한 줄여야 했음에도 불구하고, 나사가 명왕성을 최초로 발견한 클라이드 톰보의 유골 일부를 실었다는 사실입니다. 이는 천문학자들의 낭만을 보여주는 감동적인 사례입니다.
스윙바이 기술과 목성 플라이바이
뉴호라이즌스가 지구를 벗어난 후 첫 번째 목표는 명왕성이 아니라 목성이었습니다. 급할수록 돌아가라는 말이 우주에서는 과학적으로 적용됩니다. 명왕성까지의 거리는 직선으로 가도 10년 이상 걸리는데, 그만한 연료를 모두 실을 수 없었습니다. 연료를 많이 싣자니 너무 무거워져서 발사가 힘들어지고, 연료를 아끼자니 속도가 느려져서 도착이 늦어지는 딜레마가 있었습니다.
그래서 나사는 스윙바이, 즉 중력도움이라는 묘수를 택했습니다. 목성은 태양을 공전하는 운동 에너지와 중력 에너지를 갖고 있어서, 탐사선이 정확한 각도와 속도로 목성에 접근하면 그 에너지의 일부를 빌려서 연료 없이도 큰 가속을 낼 수 있습니다. 태양계에서 가장 큰 질량을 가진 행성 목성은 스윙바이 대상으로 최적이었습니다. 만약 그때 목성 스윙바이 기회를 놓쳤다면 다음 최적의 스윙바이까지 11년을 기다려야 했을 것입니다.
2007년 뉴호라이즌스는 목성에 무사히 도착했고, 몇 시간이라는 짧은 시간 동안 놀라운 성과를 냈습니다. 목성 극지방의 오로라를 X선으로 촬영했고, 극지에서 번개도 관측했습니다. 목성 내부의 열이 강력한 대류 활동을 만들고 그 결과 번개가 생긴다는 가설을 뒷받침할 강력한 단서가 포착된 것입니다. 화산 활동으로 유명한 목성의 위성 이오에서는 거대하고 뜨거운 분화 활동을 포착했으며, 가니메데, 칼리스토 등 목성의 여러 위성들도 700건 가량 관측했습니다.
놀라운 사실은 이 모든 관측이 불과 몇 시간 만에 이루어졌다는 점입니다. 뉴호라이즌스는 목성 궤도에 진입하지 않았고, 하루에서 이틀 동안 목성 인근을 통과했을 뿐입니다. 핵심적인 과학 데이터가 수집된 시간은 겨우 4시간에서 6시간이었습니다. 더욱 중요한 성과는 뉴호라이즌스가 목성 스윙바이를 통해 초속 약 4km, 시속 14,400km나 빨라졌다는 것입니다. 덕분에 명왕성까지 도달하는 시간은 무려 3년 가까이 단축되었습니다. 이는 과학자들의 감성적이면서도 정교한 계산이 만들어낸 기적이었습니다.
명왕성 도착과 카이퍼벨트 탐사의 성과
목성을 통과한 후 뉴호라이즌스는 약 6~7년 동안 태양계 외곽을 항해했습니다. 관측 대상이 거의 없는 우주 공간이었기에 탐사선은 절전 모드로 전환되었고, 가끔씩 깨워서 점검하고 통신하는 동면 모드로 운영되었습니다. 그러다가 2014년 말 명왕성에 거의 다다른 시점에서 깨어났는데, 도착까지 열흘밖에 남지 않은 시점에서 생각지도 못한 위기가 찾아왔습니다. 탐사선이 갑자기 안전 모드로 바뀌면서 지구와의 통신도 두절된 것입니다.
문제 원인은 메인 컴퓨터의 과부하로 인한 시스템 리셋이었습니다. 나사는 완전히 비상 사태에 돌입했고, 연구진들은 3일 동안 밤낮 없이 복구 작업에 매달렸습니다. 다행히 2015년 7월 7일 탐사선은 정상 상태로 돌아왔지만, 이 사고로 약 6개월치의 데이터가 손실되었고, 계획된 주요 촬영까지 고작 네 시간밖에 남지 않았던 아찔한 순간이었습니다. 26년이라는 시간에 걸친 초장기 프로젝트가 완전히 수포로 돌아갈 뻔한 위기였습니다.
우여곡절 끝에 2015년 7월 14일 오후 8시 50분, 뉴호라이즌스는 명왕성 표면에서 불과 12,500km까지 근접해서 초속 약 14km의 속도로 명왕성을 스쳐 지나갔습니다. 탐사선은 명왕성 궤도에 진입하지도, 착륙하지도 않았습니다. 애초에 궤도 진입이나 착륙을 할 수 없게 설계되었고, 목성 스윙바이로 극대화된 속도를 명왕성의 작은 중력으로는 늦출 수 없었기 때문입니다. 최대한 가볍게, 최대한 빠르게 가는 것이 최우선이었기에 플라이바이가 유일한 선택이었습니다.
많은 사람들은 명왕성을 태양에서 너무 멀리 떨어져 있어서 표면 온도는 영하 230도 이하, 내부에 열원도 없고 대기조차 거의 존재하지 않는 죽어 있는 얼음덩어리로 생각했습니다. 그러나 실제로 뉴호라이즌스가 탐사한 명왕성은 완전히 달랐습니다. 명왕성은 높이 3,500m에 달하는 험준한 산맥을 가지고 있었고, 그 아래로 펼쳐진 넓은 평원과 12겹의 대기층이 둘러싼 신비로운 모습이었습니다. 하트 모양처럼 생긴 스푸트니크 평원은 질소로 구성된 광활한 평원으로, 가로 길이가 무려 1,600km에 달했습니다.
명왕성에는 예상과 달리 충돌 흔적이 거의 없는 매끈한 표면이 펼쳐져 있었고, 얼음이 흘렀다가 다시 굳고 또다시 녹은 듯한 지형 변화의 흔적도 보였습니다. 이것은 명왕성의 지표면이 여전히 활동 중이라는 증거였습니다. 나사 과학자들은 이 지형이 만들어진 지 1억 년도 안 됐고, 지질학적으로 아주 젊은 지역일 것이라고 평가했습니다. 더욱 놀라운 것은 크라이오볼케이노, 즉 얼음 화산의 발견이었습니다. 이 화산 안에서 끓고 있는 것은 불타는 용암이 아니라 얼음과 휘발성 물질이었습니다. 차가운 슬러시를 우주로 뿜어내는 얼음 화산은 명왕성 내부에 열이 있다는 신호였습니다.
희박하지만 푸른빛을 띤 명왕성의 대기도 포착되었습니다. 탐사선이 명왕성을 지난 직후 태양을 등진 다음 뒤편에서 찍은 사진에는 명왕성 뒤에 남은 푸른빛의 고리가 아름답게 담겨 있었습니다. 명왕성의 대기는 질소와 메탄, 일산화탄소 등 다양한 성분으로 이루어져 있으며, 높이는 1,600km까지 분포하는 것으로 관측되었습니다. 이 대기는 태양에 가까워지면 기체로 증발하고 태양에서 멀어지면 얼어붙는 독특한 대기 순환 구조를 갖고 있었습니다.
명왕성 탐사를 마친 뉴호라이즌스는 여정을 멈추지 않았습니다. 2019년 1월 1일, 탐사선은 카이퍼벨트에 있는 소형 천체 아로코스에 약 3,500km까지 접근했습니다. 태양으로부터 약 66억 km 떨어진 곳에서 이루어진 이 플라이바이는 인류 역사상 가장 멀리서 성공한 사례였습니다. 눈사람이나 땅콩 같은 독특한 모습의 아로코스는 지름 20km짜리 큰 천체와 15km 정도 되는 작은 천체가 천천히 부딪히면서 만들어진 것으로 추측됩니다.
뉴호라이즌스는 명왕성이 단순한 얼음 덩어리가 아니라 살아 있는 세계라는 것을 증명했습니다.
과학의 끝에서 만난 인류의 온기
비록 2006년, 뉴호라이즌스호가 가는 도중 명왕성은 '행성'의 지위를 잃고 왜소행성으로 격하되는 아픔을 겪었습니다. 하지만 탐사선이 도착했을 때 명왕성은 거대한 하트 모양의 평원을 품고 인류를 맞이해 주었습니다.
태양계 끝자락의 차가운 암석인 줄만 알았던 명왕성이 사실은 내부에서 무언가 끓어오르고 대기가 순환하는 '살아있는 세계'였다는 사실은 우리에게 깊은 울림을 줍니다. 60억 km 너머에서 전송된 희미한 신호 속에 담긴 명왕성의 미소는, 기술의 발전을 넘어 인간이 우주를 얼마나 사랑하고 동경하는지를 다시금 깨닫게 합니다.
명왕성을 스쳐 지나간 뉴호라이즌스호는 이제 더 먼 우주인 카이퍼 벨트(Kuiper Belt)를 향해 나아가고 있습니다. 인류 역사상 가장 먼 곳에서 천체 '아로코트'를 탐사한 기록을 세운 이 탐사선은, 전력이 다하는 순간까지 성간 우주의 비밀을 우리에게 들려줄 것입니다.
[출처]
명왕성에 정말 이런 게 있다고? NASA의 과학자들도 전혀 예상하지 못한... 명왕성의 진짜 모습 / 리뷰엉이: Owl's Review: https://www.youtube.com/watch?v=Qwezg3-cNuw