태양계에서 가장 먼저 탐사된 행성이 어디냐고 물으면, 대부분은 화성이나 금성을 떠올립니다. 그런데 정작 태양에서 가장 가까운 행성인 수성은 왜 이렇게 늦게 알려졌을까요? 저도 이 사실을 처음 접했을 때 꽤 당황했습니다. 가깝다고 해서 쉬운 게 아니라는 것, 우주 탐사에서는 더욱 그렇습니다.
수성 탐사와 태양 코로나, 가까울수록 더 어려운 이유
수성은 달과 겉모습이 비슷합니다. 표면 곳곳에 크레이터(운석 충돌 흔적)가 남아 있기 때문인데, 여기서 크레이터란 소행성이나 운석이 충돌하면서 생긴 움푹 파인 지형을 말합니다. 달에서 흔히 보이는 그 구덩이들이죠. 그런데 수성은 달과 달리 태양 바로 옆에 붙어 있는 행성입니다. 태양과의 거리가 너무 가깝다 보니 탐사선이 접근하려면 엄청난 속도를 조절해야 하고, 그 과정이 기술적으로 극도로 까다롭습니다.
저는 이 부분에서 솔직히 예상 밖이었습니다. 가까우니까 탐사하기 쉬울 거라고 막연히 생각했거든요. 그런데 실제로는 태양의 중력이 탐사선을 끌어당기기 때문에, 수성 궤도에 진입하려면 반대로 속도를 줄이는 데 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다. 메신저(MESSENGER) 탐사선이 2011년 수성 궤도 진입에 성공하기 전까지 인류가 수성을 제대로 탐사하지 못했던 이유가 바로 이 때문입니다.
메신저는 이후 4년간 수성을 4,000회 이상 공전하며 25만 장이 넘는 이미지를 지구로 전송했습니다. 그 결과 수성에 과거 화산 활동이 있었다는 증거가 발견되었고, 북극 근처 영구 음영 지역에 수빙(water ice), 즉 얼음 형태의 물이 존재한다는 사실도 확인되었습니다. 태양에서 가장 가까운 행성에 얼음이 있다는 게 처음엔 도무지 이해가 안 됐지만, 극지방 일부는 수십억 년 동안 햇빛이 단 한 번도 닿지 않았다고 하니, 오히려 지구보다 훨씬 극단적인 한냉 환경이 공존하는 셈입니다.
태양 이야기로 넘어가면 규모의 차원이 달라집니다. 태양은 지름이 약 140만 km로 지구의 109배에 달하며, 태양계 전체 질량의 99% 이상을 혼자 차지하고 있습니다. 이 에너지의 원천은 핵융합 반응(nuclear fusion)입니다. 핵융합이란 수소 원자핵 네 개가 합쳐져 헬륨 원자핵 하나를 만들면서 막대한 에너지를 방출하는 반응으로, 태양은 매초 약 6억 톤의 수소를 이런 방식으로 태우고 있습니다.
2018년 발사된 파커(Parker Solar Probe) 탐사선은 태양의 코로나(corona)에 접근하는 임무를 수행하고 있습니다. 코로나란 태양 표면 바깥쪽을 둘러싼 대기층으로, 온도가 무려 100만 도 이상에 달합니다. 흥미로운 점은 태양 표면 온도가 약 5,500도인데, 표면에서 멀어질수록 오히려 온도가 올라간다는 사실입니다. 이 '코로나 가열 문제'는 아직도 완전히 해명되지 않은 태양 물리학의 미스터리입니다. 파커 탐사선은 탄소 복합 소재로 만든 내열 차폐판 덕분에 이 극한 환경에서도 임무를 이어가고 있으며, 2025년경 태양 대기 깊숙이 진입하며 임무를 마치게 됩니다.
메신저와 파커, 두 탐사선이 밝혀낸 핵심 성과를 정리하면 다음과 같습니다.
- 수성 북극 영구 음영 지역에 수빙(water ice) 존재 확인
- 수성 표면의 화산 활동 흔적 및 혜성·소행성 기원 토양 발견
- 파커 탐사선의 코로나 근접 비행을 통한 태양풍(solar wind) 입자 데이터 수집
(출처: NASA Jet Propulsion Laboratory)
허블 딥 필드와 보이저, 인류가 우주에 남긴 것들
허블 우주 망원경이 찍은 사진 중 가장 유명한 것을 하나만 꼽으라면, 저는 주저 없이 허블 딥 필드(Hubble Deep Field)를 고릅니다. 제가 처음 이 이미지를 봤을 때 솔직히 말해 머리가 멍해졌습니다. 보름달 면적의 약 1/13에 해당하는, 눈에 보이는 별 하나 없는 하늘의 한 점을 11일 동안 장노출 촬영했더니, 그 안에 수천 개의 은하가 빼곡히 담겨 있었습니다. 은하 하나에 별이 평균 1,000억~2,000억 개라고 하니, 그 장면에 담긴 별의 수는 계산하는 것 자체가 무의미합니다.
허블은 1990년 지구 저궤도에 올려진 이후 우주 팽창 속도를 정밀하게 측정해 우주의 나이가 약 137억 년임을 밝혀냈고, 이론으로만 존재하던 블랙홀(black hole)의 실재도 확인했습니다. 블랙홀이란 중력이 너무 강해 빛조차 탈출하지 못하는 천체로, 주변 물질을 빨아들이며 강력한 에너지를 방출합니다. 허블은 다수 은하의 중심에서 이 초대질량 블랙홀의 흔적을 포착하는 데 성공했습니다.
허블 망원경의 성과가 단순히 아름다운 사진에 그치지 않는 이유는, 그것이 우주 물리학의 교과서를 실질적으로 다시 쓰게 만들었기 때문입니다. 1990년대에 허블은 우주가 팽창할 뿐 아니라 그 속도가 오히려 가속되고 있다는 증거를 제공했고, 이는 암흑 에너지(dark energy)라는 개념을 도입하게 만든 결정적 관측 자료가 되었습니다. 암흑 에너지란 우주의 가속 팽창을 일으키는 정체불명의 에너지로, 현재 우주 전체 에너지의 약 68%를 차지하는 것으로 추정됩니다(출처: NASA Hubble Site).
보이저(Voyager) 탐사선 이야기를 빼놓을 수 없습니다. 1977년 지구를 떠난 보이저 1호는 2012년 드디어 헬리오스피어(heliosphere)를 벗어났습니다. 헬리오스피어란 태양풍이 미치는 영향권, 즉 태양계의 경계를 의미합니다. 이 경계를 넘어서면 별과 별 사이의 공간인 성간 공간(interstellar space)에 진입하게 되는데, 보이저 1호가 인류 역사상 처음으로 그 문턱을 넘은 탐사선이 되었습니다.
현재 지구로부터 약 230억 km 이상 떨어진 곳에서 보이저가 보내는 신호는 빛의 속도로도 19시간 이상 걸려야 지구에 도착합니다. 그리고 그 탐사선 안에는 55개 언어로 된 인사말, 빗소리, 파도 소리 등 지구의 소리가 담긴 황금 레코드가 실려 있습니다. 저는 이 부분을 읽으면서 묘하게 감동적이었습니다. 과학 임무를 떠나, 우주 어딘가에 우리의 존재를 알리려는 인간의 본능 같은 것이 느껴졌거든요.
한편 냉정하게 보자면, 이런 우주 탐사에는 막대한 비용이 따릅니다. 메신저 탐사선 프로젝트에만 약 4억 2,800만 달러가 투입되었고, 파커 탐사선은 약 15억 달러 규모의 사업입니다. 우주 탐사가 아름다운 발견만을 이야기하는 것처럼 보이지만, 그 이면에서 실질적인 비용 대비 편익을 따지는 논쟁은 여전히 진행 중입니다. 저는 개인적으로 이런 탐사들이 GPS, 기상 예측, 의료 영상 기술 등 현실적인 기술 발전으로 이어졌다는 점에서 비용이 정당화된다고 보지만, 그 기준 자체를 한 번쯤은 따져볼 필요가 있다고 생각합니다.
우주를 탐사한다는 것은 결국 우리가 어디서 왔고, 어디로 가는지를 묻는 일이라고 생각합니다. 수성의 얼음에서 시작해 태양의 코로나를 스치고, 허블이 담은 수천 개의 은하를 지나 보이저가 홀로 날아가는 성간 공간까지—인류는 60여 년의 탐사로 이 모든 것을 눈으로 확인했습니다. 그리고 아직 모르는 것이 아는 것보다 훨씬 더 많다는 사실도요. 앞으로 제임스 웹 우주 망원경이 허블의 뒤를 이어 어떤 새로운 장면을 보여줄지, 저도 계속 관심을 갖고 지켜볼 생각입니다.