인류와 우주: 끝나지 않은 여행
보이저 호는 1977년 발사돼 우주를 여행하고 있다. 보이저 2호는 태양에서 187억㎞나 멀리 떨어져 있다. 보이저 1호는 태양에서 220억㎞ 이상 항해했다(2020년 11월). 보이저 1호는 2012년 태양계를 벗어났고, 보이저 2호는 2018년 말에 태양계 밖 우주에 발을 내딛었다. 중력과 마찰력이 거의 없는 우주이므로 다른 천체 중력에 휘말리지 않는 한 계속 나아갈 것이다. 보이저는 플루토늄 전지를 쓰고 있는데 출력이 저하되고 있다. 본래 전지 수명은 2020년까지여서 통신이 끊길 것으로 예상된다. 태양전지를 활용하면 지속적으로 전력을 생성할 수 있지만 태양계를 벗어나면 태양 빛을 이용하는 것은 의미가 없다. 2020년 1월에는 보이저 2호 통신이 장기간 끊기는 일도 있었다. 2020년 3월에는 송수신을 전담해 왔던 호주 캔버라 소재 무선 안테나의 성능개선작업으로 작동하지 못했다. 10월 말에야 교신을 재개할 수 있었고, 34시간이 11월 2일 답신을 받았다. 보이저 1호 경우 지구에서 신호를 보낼 때 당도하는 시간이 20시간 이상 걸린다. 보이저 2호는 17시간 이상 시간이 소요된다(2020).
2021년까지 태양계를 벗어난 우주선은 2012년 ‘보이저 1호’와 2018년 ‘보이저 2호’가 전부이다. 미국 항공우주국(NASA)이 2030년대 발사를 추진 중인 인터스텔라 프로브(Interstella Probe)는 태양계 밖 항성을 탐사하는 프로젝트이다. 인터스텔라 프로브는 태양계 바깥에서 처음으로 태양계를 촬영할 예정이다. 목표 지점까지 초속 90km로 비행해 15년 안에 도착할 예정이다. 보이저 2호보다 속도는 5배 빠르고, 기간은 20년 단축했다. 인터스텔라 프로브의 임무 기간은 50년이다. 역사상 최장 거리 비행에 우주 공간에서 50년이라는 오랜 기간을 생존해야 하는 인터스텔라 프로브의 동력원으로 태양열을 고려하고 있다.
2021년 4월 19일 화성 탐사 헬리콥터(Ingenuity)가 화성에서의 비행에 성공했다. 1903년 미국 라이트 형제가 지구상에서 첫 비행을 한 지 118년 만이다. 지표면에서 3m 높이를 난 것으로 지구에서라면 치면 3만 미터까지 올라갈 만큼의 동력이 필요한 매우 어려운 시도였다. 화성의 대기 밀도가 지구의 1%에 불과하기 때문이다. 화성비행체는 프로펠러 두 개를 음속에 가까운, 분당 2500회 회전시켜 이륙에 필요한 양력을 만들어냈다. 일반 헬기보다 5배가량 빠른 속도이다. 화성탐사 헬리콥터는 화성탐사선(Perseverance)과 함께 화성 탐사를 한다. 흙·암석 등 화성 지표의 표본을 수거하여 화성 궤도에 떠 있는 우주선을 통해 지구로 보낼 예정이다. 미국 항공우주국은 이 표본을 분석해 화성의 생물 존재 가능성을 분석한다.
미국 항공우주국은 제임스웹 우주망원경(James Webb Space Telescope, JWST)을 2021년 12월에 발사된다. 망원경의 주경 지름만 약 6.5m에 달하는 거대한 크기로 프랑스령 남미 기아나의 쿠루 마을에 있는 유럽 우주발사장으로 옮겨져 로켓에 얹어져 발사된다.유럽우주국(ESA)과 캐나다 우주국(CSA)의 공동 프로젝트로 지구 상공 540㎞ 저궤도를 공전하는 허블망원경과는 달리 지구에서 약 150만㎞ 떨어진 라그랑주 ‘L2’ 지점으로 향한다. 지구와 달 사이의 거리보다 4배 더 먼 이 지점은 중력의 영향이 적고 태양이 항상 지구 뒤에 가려 햇빛의 방해 없으며, 망원경에 설치되는 가림 막은 지구와 달에서 반사되는 빛도 막아준다. 제임스웹 망원경은 가시광선보다는 적외선 파장에 더 초점을 맞추어 관측한다. 지구상공 559㎞에서 96분마다 한 바퀴씩 지구를 도는 허블우주망원경이 주로 우주의 가시광선을 관측하는 광학 우주망원경이라면, 제임스웹은 가시광선보다 더 깊은 우주를 볼 수 있는 적외선 우주망원경이다. 제임스웹 우주망원경은 성운 속을 뚫고 그 너머를 볼 수 있다. 138억 년 전 우주의 탄생 이후 태어난 첫 별과 은하도 관찰할 수 있다. 제임스웹 망원경은 135억 년 전 최초의 별 탄생을 보여줄 뿐만 아니라, 주변 외계 행성의 대기에서 생명체의 흔적을 찾는 데 도움을 줄 것이다. 자외선 분광기를 이용해 먼 외계 행성의 대기를 분석, 생물의 존재 가능성까지 파악해 낸다. 케플러 우주망원경이 수천 개의 외계행성을 찾아냈고, 제임스웹 우주망원경은 그 중에서 ‘제2의 지구’를 찾아낼 것이다. 허블우주망원경이 관측한 가장 먼 우주천체는 134억 광년 떨어진 은하다. 하지만 허블우주망원경은 가스나 성운에 가려진 별은 관측할 수 없다.
미국은 2030년 사람을 보내 화성을 탐사하는 계획을 추진 중이다. 우주비행사가 호흡하고 로켓 연료를 태우기 위한 산화제를 만드는 데 모두 산소가 꼭 필요하다. 화성탐사선은 화성에서 산소 발생 실험을 진행한다. 화성 대기의 96%를 차지하는 이산화탄소에서 탄소를 제거하는 장비가 제대로 동작하는지 실험한다. 산소를 지구에서 우주선으로 가져가는 것은 효율적이지 않다. 2021년 화성 대기에서 산소를 추출하는 실험이 처음으로 성공했다. 화성의 대기와 기후를 파악하는 일도 한다. 인간이 안전하게 화성을 탐사하려면 화성 지표에서 벌어지는 모래폭풍이나 미세먼지의 수준을 파악해야 한다. 우주복 샘플의 내구성을 확인하는 작업도 한다. 화성의 열악한 기후에서 우주복이 버틸 수 있는지 테스트한다. 화성탐사 헬리콥터는 대기가 지구의 1% 수준인 화성 상공에서 비행하면서 화성의 대기 환경에 필요한 비행 기술을 확보할 예정이다.
미국 국립 과학·공학·의학아카데미(NASEM)는 10년마다 10년간 어떤 연구 목표를 우선시해야 하는지에 대한 보고서를 발간한다. 이 보고서의 영향력은 크다. 2021년 발사된 제임스웹 우주망원경도 이 보고서를 통해 최우선 과제로 선정되었다. 2027년 예정인 차세대 적외선 우주망원경(Wide-Field Infrared Survey Telescope, WFIRST)은 2010년에 발간된 보고서에서 주요 프로젝트로 지정됐다. 600페이지가 넘는 2021년 보고서는 우선적으로 연구할 세 가지 분야를 선정했다. 지구형 외계 행성을 찾기 위하여 새로운 우주망원경을 만들어야 한다는 것도 그 중 하나이다. 2040년대 초까지 개발될 새로운 우주망원경에는 약 110억 달러라는 천문학적인 돈이 들어갈 것으로 추정된다. 이 망원경으로 지구와 비슷한 외계행성의 사진을 촬영하고 대기 구성을 분석하여 외계생명체를 탐색한다. 두 번째 우선순위는 중력파, 블랙홀과 중성자별을 연구하는 프로그램이다. 이를 통해 우주 초기의 비밀을 조명할 수 있기 때문이다. 세 번째 우선순위는 은하 형성과 진화를 밝히는 것이다. 이러한 프로그램의 첫 번째 임무로 ‘적외선·광학·자외선(IR/O/UV)’ 우주망원경을 제안했다. 이는 허블우주망원경보다 약 2.5배 더 크며, 적외선 제임스웹 우주망원경(6.5m)과 거의 같은 크기다. 이 망원경에는 항성에서 오는 직사광선을 차단하는 장치가 장착된다. 직사광선을 차단하여 항성 빛을 가려 행성을 찾는다. 이 우주망원경은 행성에 반사된 빛을 분석하여 대기의 화학적 구성을 알아낼 수 있다. 대기 속에서 산소나 물이 발견된다면 생명체가 살 가능성이 높다. 향후 수십 년 동안 가장 놀라운 과학적 기회는 다른 행성에서 생명체를 발견하는 것이다. 새 우주망원경은 생명체가 존재할 수 있는 약 25개의 외계행성 대기에서 생체적 특징을 탐색할 수 있다. 또한 보고서는 칠레 안데스 산맥에 건설 중인 거대마젤란망원경과 하와이에 건설될 예정이지만 반대에 부딪힌 30m 망원경에 대한 투자를 권장했다.
https://www.nap.edu/catalog/26141/pathways-to-discovery-in-astronomy-and-astrophysics-for-the-2020s
