뉴호라이즌스 — 9년의 여행, 명왕성에서 단 9분의 만남 | 우주 여행 Wiki

2006년 1월 19일 오후 2시(미국 동부 시간), 플로리다주 케이프 커내버럴에서 아틀라스 V 로켓이 불을 뿜었습니다. 탑재된 탐사선 뉴호라이즌스(New Horizons) 의 무게는 고작 478킬로그램. 이 작고 가벼운 탐사선이 인류 역사상 가장 빠른 속도로 지구를 벗어나기 시작했습니다 — 발사 직후 시속 약 58,000킬로미터, 지구 대기권을 빠져나가는 데 걸린 시간은 단 9시간이었습니다.

그날 발사대 옆에서 눈물을 훔치던 한 남자가 있었습니다. 존스 홉킨스 응용물리학 연구소(JHUAPL)의 앨런 스턴(Alan Stern) 수석 연구원이었습니다. 명왕성 탐사 임무를 처음 제안한 1989년부터 무려 17년, 두 차례의 예산 삭감과 한 차례의 임무 취소 위기를 넘기고 마침내 자신의 탐사선이 하늘로 올라가는 것을 본 것입니다.

그리고 아이러니가 있었습니다. 2006년은 명왕성이 '행성'이던 마지막 해 였습니다. 불과 7개월 뒤인 2006년 8월 24일, 국제천문연맹(IAU)은 명왕성을 '왜소행성(dwarf planet)'으로 재분류했습니다. 뉴호라이즌스는 이미 날아가고 있었습니다 — 이제 인류가 최초로 탐사하게 될 천체는 '행성'이 아닌 것이 되어버렸습니다.

25년의 집념 — 앨런 스턴의 싸움

뉴호라이즌스의 이야기를 하려면 먼저 앨런 스턴(Alan Stern)을 이야기해야 합니다. 콜로라도 대학 출신의 행성과학자인 스턴은 1989년 처음으로 명왕성 탐사 임무를 제안했습니다. 당시 명왕성은 태양계의 유일한 미탐사 행성이었습니다. 그러나 NASA의 대답은 "예산이 없다"였습니다.

스턴은 포기하지 않았습니다. 1990년대 내내 크고 작은 명왕성 탐사 제안서를 제출했습니다. '플루토 패스트 플라이바이(Pluto Fast Flyby)', '플루토 익스프레스(Pluto Express)' — 번번이 예산 삭감으로 무산되었습니다. 2000년에는 NASA가 아예 명왕성 임무를 예산에서 삭제했습니다. 스턴은 행성과학 커뮤니티를 규합해 NASA 본부에 직접 맞섰고, 결국 2001년에 새로운 제안 공모를 이끌어냈습니다. 뉴호라이즌스는 그렇게 2001년에 선정되었고, 5년간의 개발 끝에 발사대에 섰습니다.

스턴은 훗날 이렇게 말했습니다. "누군가 나에게 '명왕성은 행성도 아닌데 왜 그렇게까지 싸웠냐'고 묻습니다. 나는 이렇게 답합니다. 명왕성은 인류가 한 번도 가보지 않은 곳입니다. 그것으로 충분합니다."

9년의 항해

뉴호라이즌스는 지구를 떠나며 잠에 들었습니다. 전자 장비의 마모를 최소화하고 에너지를 아끼기 위해, 임무 기간 중 총 18번 동면(hibernation) 모드로 전환되었습니다. 동면 상태에서 탐사선은 일주일에 한 번씩 지구로 상태 신호(비콘 신호)만 보냈습니다.

2007년 2월 28일, 뉴호라이즌스는 목성 근접 통과를 통해 중력 도움을 받아 속도를 높였습니다. 이 과정에서 목성의 위성 이오(Io)에서 활화산 분출 장면, 유로파(Europa)의 얼음 표면, 목성 대기의 거대 폭풍들을 포착했습니다.

이후 탐사선은 깊은 우주 속을 홀로 날아갔습니다. 지구와의 통신 시간 지연은 점점 길어졌습니다.

뉴호라이즌스 주요 비행 데이터

날짜          | 지구-탐사선 거리  | 통신 지연(단방향) | 상태
-------------|----------------|----------------|-------
2006-01-19   | 0 AU           | 0분             | 발사
2007-02-28   | 5.4 AU         | 약 45분          | 목성 통과
2011-01-01   | 약 22 AU        | 약 3시간          | 동면 중
2014-12-06   | 약 32 AU        | 약 4.4시간        | 명왕성 관측 개시 (동면 해제)
2015-07-14   | 약 32.9 AU      | 약 4.5시간        | 명왕성 최근접 통과
2019-01-01   | 약 43.4 AU      | 약 6시간          | 아로코스 최근접 통과

2015년 7월 14일 오전 7시 49분 — 9분의 만남

2015년 7월 14일, 뉴호라이즌스는 명왕성 표면에서 약 12,500킬로미터 거리까지 접근했습니다. 시속 약 49,600킬로미터의 속도로 날아가는 탐사선은 단 9분 동안 최근접 구간을 통과했습니다. 멈출 수도, 되돌아올 수도 없었습니다. 딱 한 번의 통과가 전부였습니다.

그 9분을 위해 9년을 날아온 것이었습니다.

그런데 첫 고해상도 사진이 도착하기 전날인 7월 13일, 탐사선 컴퓨터가 비정상 모드에 빠지는 아찔한 사고가 발생했습니다. 이미지 압축과 통신 스케줄이 충돌해 컴퓨터가 동시에 두 가지 명령을 받은 것이었습니다. JHUAPL의 시스템 엔지니어 크리스 헤르스만(Chris Hersman) 팀은 73분 만에 탐사선을 정상 모드로 복구했습니다. 관제사들은 최근접 통과 단 1시간 13분 전에 탐사선이 정상 작동하는 것을 확인했습니다.

최근접 통과 당일 오전, 탐사선은 데이터 수집에 집중하느라 지구로 신호를 보낼 수 없었습니다. 관제팀과 전 세계 과학자들은 13시간 동안 아무것도 알 수 없는 상태로 기다려야 했습니다. 그리고 오후 9시 직후, JPL 관제실에 신호가 도착했습니다 — 뉴호라이즌스가 무사히 명왕성을 통과했다는 확인 신호였습니다. 관제실은 환호로 가득 찼습니다.

하트 모양의 세계 — 명왕성의 비밀

9년의 기다림 끝에 도착한 명왕성의 모습은 모든 예상을 뒤엎었습니다.

가장 먼저 눈에 띈 것은 명왕성 표면에 새겨진 거대한 하트 모양의 밝은 지형 이었습니다. 폭 약 1,600킬로미터에 달하는 이 지형은 명왕성을 발견한 천문학자 클라이드 톰보(Clyde Tombaugh)의 이름을 따 '톰보 지역(Tombaugh Regio)' 으로 명명되었습니다. 톰보는 1930년에 명왕성을 발견했으며, 그의 유해 일부가 실제로 뉴호라이즌스에 탑재되어 함께 명왕성까지 날아갔습니다.

톰보 지역의 서쪽 절반인 '스푸트니크 평원(Sputnik Planitia)' 은 질소 얼음으로 덮인 거대한 충돌 분지였습니다. 충격적인 것은 이 지역에 충돌 크레이터가 거의 없다는 사실이었습니다. 이는 곧 이 표면이 지질학적으로 매우 젊다 는 의미였습니다 — 최근 1,000만 년 이내에 형성된 지형일 수도 있었습니다. 명왕성이 죽은 천체가 아니라 지금도 지질 활동이 진행 중인 살아있는 세계 라는 증거였습니다.

또한 탐사선은 질소 빙하가 천천히 흘러내리는 장면, 메탄으로 덮인 산맥, 그리고 놀랍게도 얇은 대기층 을 포착했습니다. 명왕성의 대기는 지구 대기압의 약 10만분의 1 수준이지만, 태양 자외선과 상호작용하며 연한 파란색 헤이즈 층을 형성하고 있었습니다.

| 명왕성 주요 지형 및 특성 (뉴호라이즌스 관측) | |---|---| | 지형/특성 | 세부 내용 | | 톰보 지역 (하트) | 폭 약 1,600 km, 질소·일산화탄소·메탄 얼음 | | 스푸트니크 평원 | 서쪽 하트 부분, 크레이터 거의 없음, 지질 활동 진행 중 추정 | | 노르게이 산맥 | 수소 얼음 기반 산맥, 최고 약 3,500m | | 힐러리 산맥 | 질소 얼음 평원과 경계부 위치 | | 타르타루스 고지 | 독특한 '용의 비늘' 모양 블레이드 지형 | | 대기 | 질소·메탄·일산화탄소, 파란색 헤이즈 5개 층 | | 카론 위성 | 붉은 북극 모르도르 마쿨라, 지각이 쪼개진 흔적 |

데이터 전송에 왜 수개월이 걸렸는가

명왕성 최근접 통과 당일, 뉴호라이즌스는 약 50GB에 달하는 데이터를 수집했습니다. 그런데 이 데이터를 지구로 모두 전송하는 데는 무려 16개월 이 걸렸습니다.

이유는 거리와 안테나 크기의 물리적 한계입니다. 약 48억 킬로미터(32.9 AU) 떨어진 곳에서 지름 2.1미터짜리 고이득 안테나로 전송할 수 있는 데이터 속도는 최대 약 2킬로비트(kbps) 수준이었습니다. 당신이 1990년대에 사용하던 전화 모뎀보다도 훨씬 느린 속도입니다.

데이터 전송 속도 비교:

현대 광랜 (1Gbps):    1,000,000,000 bps
초기 전화 모뎀(56k):       56,000 bps
뉴호라이즌스 최대:          2,000 bps  ←
스마트워치 블루투스:     1,000,000 bps

그래서 뉴호라이즌스팀은 전략적으로 데이터를 수신했습니다. 가장 중요한 과학적 데이터 — 핵심 이미지, 대기 분석, 표면 온도 측정 — 를 먼저 받고, 나머지는 그 이후 16개월에 걸쳐 차례로 내려받았습니다. 마지막 데이터가 도착한 날은 2016년 10월이었습니다.

아로코스 — 카이퍼 벨트의 눈사람

명왕성을 떠난 뉴호라이즌스에게는 새로운 임무가 기다리고 있었습니다. 2019년 1월 1일 새해 첫날, 탐사선은 카이퍼 벨트(Kuiper Belt)에 위치한 소천체 아로코스(Arrokoth, 구 별칭 울티마 툴레) 를 약 3,500킬로미터 거리에서 통과했습니다.

아로코스의 모습은 누구도 예상하지 못했습니다. 두 개의 둥근 덩어리가 서로 부드럽게 붙어 있는, 마치 눈사람 같은 형태였습니다. 공식 명칭은 '접촉 이중 소행성(contact binary)'입니다. 이 형태는 두 천체가 서로 충돌한 것이 아니라, 초기 태양계에서 천천히 서로에게 다가가 부드럽게 합쳐진 것임을 의미했습니다. 이는 행성 형성의 가장 원초적인 단계를 직접 관측한 것으로, 태양계 탄생의 비밀을 간직한 타임캡슐이었습니다.

아로코스는 46억 년 전 태양계 형성 당시의 원시 물질을 그대로 보존하고 있는 것으로 분석되었습니다. 태양계의 외곽에서, 빛도 거의 닿지 않는 차가운 공간에서, 오직 원시적 형태 그대로 수십억 년을 기다려온 것이었습니다.

지금도 날아가고 있습니다

뉴호라이즌스는 현재도 태양계 외곽을 향해 비행 중입니다. 2038년경에는 태양에서 100 AU(약 150억 킬로미터) 거리에 도달하여, 태양풍과 성간물질이 맞닿는 경계인 '헬리오포즈(Heliopause)' 부근을 탐사할 예정입니다.

앨런 스턴은 최근 인터뷰에서 이렇게 말했습니다. "명왕성의 하트를 처음 봤을 때, 나는 그것이 우리를 향해 웃고 있다고 생각했습니다. 마치 '오느라 수고했다, 기다렸어'라고 말하는 것 같았습니다. 25년을 기다렸고, 9분 동안 그 앞을 지나쳤습니다. 그런데 그 9분이 내 인생 전체를 바꿔놓았습니다."

9년을 날아가 9분 동안 만난 명왕성. 그 만남이 남긴 것은 모든 예상을 뒤집는 하나의 진실이었습니다 — 우주의 가장 먼 곳에도 놀라움은 있다 는 것.

뉴호라이즌스 — 9년의 여행, 명왕성에서 단 9분의 만남