(The Marius Hills Pit (MHP) on the surface of the Moon. MHP will be studied by PSI-led GIMLI, through the NASA PRISM program, to investigate a possible lava tube beneath the surface. Credit: NASA/GSFC/Arizona State University)
달은 과거 지금처럼 지질학적으로 죽은 천체가 아니라 여러 차례의 용암 분출을 겪었던 곳이었습니다. 지금도 용암 지형들이 다수 남아 그 사실을 확인할 수 있는데, 이 가운데서 과학자들의 특별한 관심을 받는 장소가 바로 지하에 있는 용암 동굴입니다. 나사의 LRO를 비롯한 달 궤도 탐사선들은 달 표면에서 다양한 함몰 지형을 발견했는데, 이는 용암 동굴이 무너져 내린 장소로 생각됩니다.
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이 용암 동굴들은 과거 달의 역사를 보존하고 있는 중요한 장소임과 동시에 달 표면의 강력한 방사선과 운석 충돌에서 우주 비행사와 달 기지를 완벽하게 보호할 수 있는 장소로 주목받고 있습니다.
2026년 10월, 나사는 PRISM(Payloads and Research Investigations on the Surface of the Moon) 프로그램을 통해 달 표면 과학 조사 3건을 선정했습니다. 그중 하나가 바로 GIMLI(Geophysical Instruments for Marius Lunar pit Investigation) 프로젝트입니다. 이 연구는 달의 마리우스 힐스(Marius Hills) 지역에 위치한 대형 함몰구(pit)가 지하 용암관(lava tube)으로 이어지는지 직접 탐사하는 것을 목표로 합니다.
마리우스 힐스는 달의 폭풍의 바다(Oceanus Procellarum)에 위치한 화산 돔 군으로, 달에서 가장 높은 밀도의 화산 지형을 가진 지역입니다. 돔 (Dome) 지형의 높이는 평균 200~500m이며 대형 불규칙형 돔과 소형 급경사 돔(직경 1~2km) 등 두 가지 유형의 화산 지형이 공존하고 있습니다.
마리우스 힐스 함몰구(MHP) 일본 세레네(SELENE/카구야) 위성이 처음 발견하고, 나사의 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)가 상세 촬영한 대형 구멍입니다. 깊이는 약 34m (일부 추정 80~88m)
폭은 약 65×90m로 과거 달에 흘렀던 용암관의 천창일 가능성이 높습니다. 용암관이 형성된 후, 용암이 빠져나가고 지반이 냉각·수축하면서 지붕 일부가 붕괴되어 구멍이 생긴 것으로 이는 지구에서 관찰되는 용암동 형성과 동일한 메커니즘입니다.
마리우스 힐스 함몰구는 GRAIL 중력 측정(2011~2012)에서도 지하 공동을 의미하는 미세한 중력 감소를 관측한 바 있습니다. 또 레이더 관측에서도 용앙동굴을 시사하는 반사 패턴이 나타났습니다. GIMLI는 이를 직접 달 표면에서 검증할 예정입니다.
GIMLI의 가장 혁신적인 점은 세 가지 독립적 지리물리학적 탐사 기법을 하나의 임무에 통합했다는 것입니다. 각각을 살펴 보면
1. 지표 투과 레이더(Ground-Penetrating Radar, GPR) - 노르웨이 우주청(Norwegian Space Agency) 제공
원리: 고주파 전파를 지하에 발사하여 층계면(boundary)에서 반사되는 신호를 수신
역할: 지하의 밀도·성질 변화 계면을 매핑 → 용암관의 지붕 두께, 깊이, 수평 확장 범위 추정
한계: 달의 레골리스(regolith)은 전기적으로 이질적이므로 심부 해상도가 제한적일 수 있음
3-2. 능동원(Active-Source) 지진 탐사 - Honeybee Robotics(Blue Origin 계열)이 계기 제작
원리: 인위적으로 진동을 발생시키고, 지하 구조를 통과한 후 되돌아오는 P파·S파의 도달 시간과 주파수 특성을 분석
역사적 의의: 아폴로 우주인들이 1960~70년대에 달에서 처음 지진 관측을 수행한 이후, 능동원 지진 탐사는 사실상 중단된 상태였습니다. 이를 반 세기만에 다시 도입합니다.
역할: 지하의 탄성파 속도 구조를 파악 → 공동과 고체 암석의 구별, 용암관의 단면 형상 추정
달에서의 장점: 달은 대기가 없어 음향 간섭이 없고, 지진 배경 소음이 극히 낮아 신호 대 잡음비가 지구보다 우수
3-3. 중력계(Gravimeter) 측정
원리: 지표 근처의 미세한 중력 이상(gravity anomaly)을 정밀 측정
역할: 지하 공동은 주변 암석보다 밀도가 낮으므로, 그 상공에서 미세한 중력 감소가 발생 → 용암관의 존재·크기·깊이를 독립적으로 추정
시너지: GRAIL 궤도 중력 데이터(거시적)와 지표 중력계(미시적)를 결합하면 지하 구조의 해상도가 크게 향상
GIMLI는 CLPS(Commercial Lunar Payload Services) 이니셔티브를 통해 제공되는 상용 착륙선(lander)와 로버(rover) 를 타고 달 표면으로 운반됩니다. 이를 통해 함몰 구덩이 주변 지형을 자세히 분석하고 앞서 말한 관측을 시행합니다.
GIMLI의 목표는 존재 가능성이 매우 높은 용암 동굴의 존재를 확인하는 것만이 아니라 크기와 길이를 정확히 측정하는 것입니다. 그리고 만약 용암 동굴이 없다면 그 이유에 대해서도 파악할 수 있을 것입니다.
현재는 임무 선정이 된 상태로 앞으로 개발과 실제 임무 수행까지는 상당한 시간이 남아 있습니다. 순조롭게 진행되어 달의 용암 동굴의 비밀을 파헤치고 미래 달 기지로 활용 가능한지에 대한 정보를 수집할 수 있기를 기대합니다.
참고
https://phys.org/news/2026-10-team-nasa-explore-potential-lunar.html
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