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2014년 12월 8일 월요일

태양계 이야기 299 - 명왕성 도착을 위해 깨어난 뉴 호라이즌스



(명왕성 앞을 지나는 뉴 호라이즌스호의 상상도. Artist's concept of the New Horizons spacecraft during its planned encounter with Pluto and its moon, Charon.  Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute )


 지난 2006년, 아틀라스V 로켓에 실려 발사된 명왕성 탐사선 뉴 호라이즌스(New Horizons)호가 이제 목적지인 명왕성에 근접해서 동면모드에서 깨어났다고 나사가 발표했습니다. 인류의 태양계 탐사상 최초로 명왕성과 카이퍼 벨트대 천체를 직접 탐사하게 될 뉴 호라이즌스호는 2015년 7월 14일 역사적인 명왕성 플라이바이(Flyby)를 시도할 계획입니다.


 그런데 사실 뉴 호라이즌스호가 발사된 이후 명왕성의 지위에 큰 변화가 있었습니다. 즉 행성에서 왜행성(Dwarf Planet)으로 지위가 낮아진 것입니다. 이는 명왕성이 위치한 궤도 밖에서 명왕성과 비슷한 크기의 천체들이 다수 발견된 것과 관련이 있습니다. 행성이라는 정의는 사실 인간이 만든 인위적인 기준이긴 하지만 아무튼 그 궤도에서 압도적으로 큰 천체여야 합니다. 수성에서 해왕성까지 천체는 이 기준에 모두 부합하지만 명왕성은 더 이상 그렇지 못합니다.  



(태양계 외곽에 위한 왜행성들. 아래 지구와 상대적 크기를 비교할 수 있음.  출처: 위키피디아)  


 과학자들은 해왕성 궤도 밖에서 다수의 천체를 발견했는데 이를 TNOs(Trans-Neptunian object)라고 명명했습니다. 이 중에서 가장 큰 것은 에리스(Eris)로 사실 명왕성보다 더 큰 편입니다. 이런 천체들이 다수 발견되었는데 사실 이들을 다합쳐도 지구의 달보다 질량이 작은 것으로 판단되고 있습니다. 왜냐하면 대부분 얼음으로 구성된 밀도가 낮은 천체들이기 때문이죠.  


 아무튼 이렇게 작은 천체들을 모두 행성으로 올리는 일은 아무래도 무리수일 수 밖에 없습니다. 따라서 명왕성을 행성의 지위에서 격하시키는 방안이 자연스럽게 선택된 것입니다. 하지만 그것이 아쉽기만 한 일은 아닙니다. 우리 인류가 태양계 외곽의 천체들에 대해서 더 자세히 알게 된 것일 뿐이죠.  

 따라서 뉴 호라이즌스호가 맡은 임무의 중요성도 결코 이전보다 떨어지지 않습니다. 사실대로 말하면 이전보다 어깨가 더 무거워졌습니다. 명왕성을 탐사해서 이런 TNOs의 특징을 밝히는 중요 임무가 주어졌기 때문입니다. 어떤 상상하지 못했던 현상들이 이들 얼음 천체들에서 일어나고 있을지 밝히는 첫 번째 임무가 뉴 호라이즌스호에 있습니다.  


 명왕성은 사실 반지름 1184±10km 정도의 작은 천체입니다. 지구와 비교해서 지름이 1/5 미만이며 질량은 1%에도 미치지 못합니다. 달과 비교했을 때도 17.8% 수준이라고 생각되고 있습니다. 하지만 상상외로 많은 위성을 거느리고 있습니다.  


 첫 번째로 발견된 위성인 카론은 사실 명왕성의 절반 크기로 위성이라기보단 쌍성계에 가깝다는 의견들도 있습니다. 질량 차이도 그다지 크지 않아서 카론이 명왕성의 11.6% 수준으로 생각되고 있습니다. 이렇다보니 카론이 명왕성 주위를 공전한다기 보단 명왕성과 카론의 질량 중심을 공전한다는 표현이 아주 적절합니다. 둘 사이의 질량 중심(barycenter/center of mass)은 명왕성 밖에 있는데 이는 태양계에서 보기 드문 경우 가운데 하나입니다.  





 이것만으로도 뉴호라이즌스가 관찰해야 하는 흥미로운 현상이지만 더 놀라운 사실은 지금까지 4개나 되는 위성이 추가로 발견되었다는 것입니다.  


(명왕성의 위성들  NASA, ESA, and L. Frattare (STScI) )  


 닉스, 히드라, 스틱스, 케르베로스는 모두 명왕 플루토와 연관성이 있는 이름으로 지어졌습니다. 뉴 호라이즌스호는 이 복잡한 위성 시스템이 어떻게 형성되었는지 밝혀줄 결정적인 단서를 확보하는 것은 물론 추가적인 위성이나 고리의 존재, 위성의 성질들에 대한 자세한 정보를 전해줄 것입니다. 가까이서 확인하면 우리가 미처 생각하지 못했던 놀라운 사실들이 밝혀질지 모릅니다. 과연 이 위성들이 같이 형성되었는지 아니면 주변을 지나치던 천체가 포획된 것인지 알려줄 중요한 단서가 있을 지 모릅니다.  


 한편 명왕성의 지형 및 대기 역시 중요한 관측 대상 가운데 하나입니다. 명왕성은 평균 표면 온도가 -229℃에 달하는 극저온의 세상이지만 그럼에도 매우 긴 타원 궤도를 돌기 때문에 태양에 가까워졌을 때는 대기가 존재할 수 있습니다. 지구와 우주에서의 관측으로 희박하지만 대기를 가지고 있다는 것이 확인되었는데 대부분은 질소, 메탄 등으로 구성된 것으로 보입니다.  

 명왕성은 독특하게도 태양에 가까워지면 대기가 생성되었다가 태양에서 멀어지면 온도가 더 낮아져 대기가 얼어붙는 것으로 생각됩니다. 따라서 지금이 대기를 관측할 절호의 기회라고 할 수 있습니다. 당연히 뉴 호라이즌스호의 주요 관측 목표입니다.  


 지구에서 허블 우주 망원경의 관측으로 보면 뿌옇게 보이는 것이 전부지만 그럼에도 명왕성의 표면이 고르게 분포되어 있지 않고 얼룩이 있다는 것을 알 수 있습니다. 즉 어떤 형태의 지형이 있다는 것을 암시하고 있는데 과연 어떤 지형이 있을 지 역시 뉴 호라이즌스호가 관측으로 밝혀야 하는 매우 중요한 목표입니다. 이 지형은 명왕성의 역사와 더불어 탄생에 대한 비밀을 간직하고 있을 가능성이 높습니다.  



(허블 우주 망원경으로 관측한 명왕성이 표면.  Credit : NASA/ESA/M. Buie (Southwest Research Institute))


 뉴 호라이즌스호는 명왕성의 위성이 되는 대신 그대로 지나쳐 태양계 더 먼 곳으로 여행을 시작합니다. 명왕성에서 약 1만km 떨어진 지점까지 근접하기 때문에 매우 상세한 데이터를 수집해서 지구로 전송할 것입니다. 나사는 그 후 수년내로 다른 카이퍼 벨트대 천체를 관측한다는 계획을 가지고 있습니다.  


 이 위치까지 탐사선을 한 번 보내는데 오랜 시간과 비용이 드는 만큼 한 번 비행에서 최대한 많은 것을 얻어내겠다는 게 나사의 생각입니다. 그리고 만약 그때까지 작동을 한다면 뉴 호라이즌스호는 2038년에 100 AU 정도 떨어진 위치까지 도달해 태양권의 끝 부분에 도달하게 됩니다. 아마도 이때까지 살아있다면 보이저 1/2 호 처럼 마지막 임무를 수행할 지 모릅니다.  



(뉴 호라이즌스 호의 궤도. 녹색 점은 2015년 1월경 위치. 출처:나사 )  


 앞으로도 뉴 호라이즌스호 앞에는 많은 여정이 남아있습니다. 현재 뉴 호라이즌스호는 지구에서 29억 마일(약 47억km) 떨어진 위치에 있습니다. 명왕성까지는 2억 6000만km 정도 떨어진 위치입니다. 이제 반년 정도 후면 지금까지 누구도 본 적이 없었던 명왕성의 맨얼굴이 드러날 것입니다. 과연 어떤 것이 우리를 기다라고 있을까요?  


 참고  


   


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