2039년, 여름휴가는 화성으로?

제 2의 지구를 찾아 머나먼 우주 저편을 향해 떠나는 영화 ‘인터스텔라’처럼, 인류의 새로운 보금자리를 찾아가는 여정이 과연 현실이 될 수 있을까? 

우주선의 목적지가 영화처럼 시공간이 비틀어진 우주공간의 틈이 아니라, 지구와 가까운 화성이라는 점만 빼면 인터스텔라의 내용은 현실이 될 가능성이 높다. 

여기서 궁금증이 생긴다. 왜 화성이 인류의 보금자리 후보로 떠오르고 있는 것일까? 화성보다 더 가까운 금성이 있고, 지구보다 몇 십 배나 되는 거대한 목성도 있는데 말이다. 지금부터 그 이유를 하나씩 알아보자. 

■ 제 2의 지구라 불렸던 화성 

화성은 예전부터 제 2의 지구라 불렸다. 물론 지금 당장 생명체들이 거주할 수 있는 환경은 아니지만, 현재 태양계에 있는 행성들 중에서는 가장 지구와 닮아있다. 우선 화성의 하루는 지구와 흡사한 24시간 40분이다. 그리고 지구와 비슷한 자전축을 지녔으며, 극지방과 지하에 얼음의 형태로 물이 존재한다는 점도 지구와 닮은 점이라 할 수 있다. 

특히 물의 존재는 미 항공우주국(NASA)이 최근 연구를 통해 밝혀낸 사실이라 화성의 효용 가치를 더욱 높여주고 있다. 비록 발견된 물이 얼음 형태이기는 하지만, 액체 상태의 물이 존재할 가능성도 높아진 만큼 향후 화성 개척에 적지 않은 도움을 줄 것으로 기대를 모으고 있다. 

반면에 화성은 지구와 다른 점도 많다. 크기가 지구의 반 밖에 되지 않고, 중력도 1/3 정도에 불과하다. 이처럼 낮은 중력은 대기에까지 영향을 미쳐서, 화성 전체의 대기밀도는 지구의 1%도 안 된다. 그리고 그나마 존재하는 대기도 이산화탄소가 96%를 차지하고 있기 때문에, 지구상의 생명체는 화성에서 생존하기 어렵다. 

따라서 화성에서 인류가 거주하려면 생명체가 살 수 있는 공간을 만드는 단기적인 방법을 선택하거나, 자연 환경 자체를 개조하는 장기적인 방법을 추진해야 한다. 그 중에서도 단기적인 방법은 수십 년 안에 이뤄질 전망이다. 

인간을 화성으로 이주시켜서 제 2의 지구로 만들겠다고 발표한 네덜란드의 마스원(Mars One) 프로젝트를 비롯해, 화성에 인류를 착륙시키는 시점을 2039년이라고 공개한 바 있는 NASA는 모두 이 같은 단기적인 방법이라 할 수 있다. 

반면에 화성의 자연환경을 보다 근본적으로 바꾸는 장기적인 방법으로는 테라포밍(terraforming)이 있다. 테라포밍이란 외계 행성의 환경을 지구처럼 바꾸는 작업을 뜻한다. 즉 숨 쉴 수 있는 공기를 만들고, 온도를 올리며, 물을 확보하는 것이다. 
 

사진 1. 테라포밍으로 지구처럼 변화한 화성의 상상도(출처 : NASA)



이를 위해 과학자들은 광합성을 하는 미생물을 화성에 보내 화성 전체의 온도를 높이고, 산소를 만들며, 대기를 변화시켜 물을 생성하는 방법을 연구하고 있지만 아직은 요원한 방법이기도 하다. 이 같은 현상이 나타나기 위해서는 수백 년에서 수천 년의 시간이 필요하기 때문이다. 

■ 화성 탐사 위한 각국의 프로젝트 줄이어 

화성을 인류의 보금자리로 만드는 거대한 계획에는 화성 현지에 대한 조사와 사람 및 장비를 화성으로 보내는 탐사 프로젝트들이 반드시 뒷받침돼야 한다. 이를 위해 미국을 비롯한 주요 국가들은 현재 화성 탐사를 위한 우주선 및 로봇 개발에 열을 올리고 있다. 

가장 활발하게 화성 탐사 프로젝트를 추진 중인 미국의 경우, 지난해 말에 화성 탐사용 우주선인 오리온(Orion)호의 시험 비행을 성공적으로 마쳐서 주목을 끈 바 있다. 앞으로 오리온호는 2021년에 승무원을 태운 채 유인 비행을 해 본 뒤, 오는 2030년쯤에 본격적인 화성 탐사를 진행할 예정이다. 
 

사진 2. 화성탐사용 우주선 오리온호의 시험 발사(출처 : NASA)



오리온호 발사 이후에도 NASA는 매우 구체적인 화성 유인 탐사 계획을 가지고 있다. 그 중에서도 가장 핵심은 원자력 로켓을 장착한 유인 화성탐사 우주선 코페르니쿠스(Copernicus)호다. 이 우주선은 무엇보다 원자력을 에너지로 사용한다는 점에서 이목이 집중되고 있는데, 앞으로 화성의 기지 건설을 위한 화물 운반용으로 활용될 것으로 알려졌다. 

우주선 외에도 화성 탐사를 위해 NASA는 탐사로봇 개발에 박차를 가하고 있다. 지난 2012년에 큐리오시티를 착륙시킨 이후, 오는 2016년에는 ‘인사이트’라는 이름의 탐사로봇을 발사시킬 예정이다. 이 탐사로봇은 화성 내부의 구조를 탐사하기 위한 로봇으로서, 착륙하게 되면 화성의 지진 활동을 측정하는 임무를 맡게 된다. 

이처럼 화성 탐사는 미국이 독주태세를 보이고 있지만, 다른 국가들의 도전도 만만치 않다. 우선 미국과 함께 전통적 우주 강국인 러시아는 오는 2022년까지 화성 위성 ‘포브스’를 조사하기 위해 탐사선을 쏘아 올릴 계획이다. 러시아는 4년 전에 화성 탐사선을 발사했지만 정상 궤도 진입에 실패한 바 있다. 

또한 유럽연합도 화성 영토의 선점에 눈독을 들이고 있다. 유럽연합의 경우는 미국이나 소련에 비해 달 탐사는 늦었지만, 화성 탐사에 있어서만큼은 세계 최고의 기술을 자랑한다. 현재 유럽우주국(ESA)을 통해 화성 탐사를 주요 목적으로 하는 ‘오로라 프로젝트’를 추진하고 있다. 

이 외에 후발 주자지만 아시아도 도전장을 낸 상황이다. 특히 인도는 2년 전에 아시아 국가로서는 최초이자 세계에서 네 번째로 화성 탐사선인 ‘망갈리안(Mangalian)’ 발사에 성공해 세계를 놀라게 한 바 있다. 망갈리안은 발사 후 약 300일을 날아 지난해 화성 궤도 진입에 성공했고, 현재는 화성에 대한 소중한 정보들을 지구로 보내주고 있다. 

이와 같이 세계 각국들이 앞을 다퉈 화성에 발자취를 남기려는 이유는 영토 선점의 이유도 있지만, 화성 자체가 지구인들의 영원한 로망이기 때문이다. 공상과학 소설의 배경으로 끊임없이 등장하고, 외계인이 사는 곳으로 화성이 그려진 것도 그런 로망 때문인 것이다. 어쩌면 멀지 않은 미래에는 학생들의 수학여행지로 화성이 꼽힐지도 모르는 일이다. 

글 : 김준래 과학칼럼니스트

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화성, ‘죽음의 별’에서 ‘제 2의 지구’로!

밤하늘을 올려다보면 두 개의 붉은색 별이 떠 있다. 하나는 지구에서 640광년이나 떨어진 오리온자리 1등급 항성 ‘베텔게우스(Betelgeuse)’이고 다른 하나는 태양에서 네 번째 궤도를 도는 행성 ‘화성’이다. 사막과 황무지로 덮인 화성은 그동안 ‘죽음의 땅’으로만 여겨져 왔다. 그러나 최근 생명체의 존재 가능성이 지구 다음으로 높다고 알려지며 태양계 내에서 가장 많은 관심을 받고 있다. 게다가 ‘제 2의 지구’로서 인간이 정착해 살아갈 최적의 후보지로도 꼽힌다.

미항공우주국(NASA)은 2011년 11월 대형탐사로봇을 탑재한 화성탐사선 ‘큐리오시티(Curiosity)’호를 발사했다. 첨단장비를 탑재한 큐리오시티는 2012년 3월 14일 오전 1시 35분 기준 지구에서 5,783만 9,605km 떨어진 곳을 지나고 있다. 화성의 대기권 외곽에 도달하는 예정시간은 오는 8월 5일이다. 이날까지 큐리오시티는 최대 시속 2만 1,200km의 속도로 2억 8,608만 9,601km를 더 날아가야 한다.

화성에서의 물의 존재는 이미 확인됐으니, 이제 과거 생명체의 흔적을 찾고 인간의 거주 가능성을 점검할 순서다. 토양과 대기를 분석하는 큐리오시티의 임무가 2018년에 끝나면, 채취된 토양 샘플을 지구로 가져오는 또 다른 탐사선이 발사될 예정이다.

이런 식으로 2020년대 후반이면 마침내 인간이 화성으로 출발할 것으로 보인다. 이 모든 것은 ‘마스 오디세이(Mars Odyssey)’호 덕분이다. 물을 발견하면서 화성 개척의 가능성이 더욱 커졌고 화성 탐사 일정이 탄력을 받은 것이다.

생명체가 살아가거나 인간이 거주하려면 ‘물’이 필요하다. 화성에 물이 있다면 과거에 생명체가 존재했거나 앞으로 인간이 살아갈 가능성도 높아진다. NASA는 2001년 4월 7일 화성의 궤도를 돌며 조사하는 탐사위성 마스 오디세이호를 발사하고 1년이 지난 5월 28일 놀라운 발표를 한다. 위성에 탑재된 분광기가 화성 지표면의 90cm 아래에서 수소 감마선을 포착했다는 것이다. 이 신호는 화성 내부에 거대한 얼음 저수지가 존재한다는 결정적 증거였다. 얼음의 양도 엄청났다. 모두 녹일 경우 화성 전체가 500m 깊이의 물로 채워질 정도다.

화성 탐사는 1960년대에 시작됐다. 이 시기에 구소련과 미국은 경쟁을 벌이며 탐사선을 발사했다. 화성의 과거 역사를 알아내고 미래 이주 가능성을 점검하려는 시도였다. 그러나 3분의 2 이상이 실패로 끝나면서 ‘화성의 저주(the Mars Curse)’라는 말까지 생겨났다.

그러던 1965년 미국의 마리너 4호가 화성의 궤도에 접근해 최초로 사진을 지구로 전송하면서 탐사가 본격화됐다. 1971년 11월에는 마리너 9호가 화성 궤도에 안착했고 1971년 12월에는 구소련의 마스 3호가 화성 표면에 착륙했다. 1976년에는 바이킹 1호와 2호도 화성에 착륙해 수많은 자료를 보내오기 시작했다.

이후 화성에 물이 존재한다는 증거가 계속 나타났다. 2007년 발사된 화성탐사선 ‘피닉스(Phoenix)’호는 마스 오디세이의 자료를 근거로 화성을 재조사해서 물의 존재를 이듬해 공식적으로 확정지었다. 2010년에는 미국 텍사스대학교 연구진이 마스 오디세이가 보내온 사진을 연구해서 과거 화성에 거대한 바다가 존재했다는 정황을 포착했다. 사진에 보이는 눈물방울 모양의 지형이 수백만 년 전 깊은 바다에서 형성됐다는 것이다.


[그림 1] 마스 오디세이가 화성에서 촬영한 사진을 분석한 미국 텍사스대학교 연구진은 눈물방울 모양의 지형이 수백만 년 전 깊은 바다 속에서 형성됐다고 발표했다. 사진 출처 : NASA
2011년 12월에는 화성탐사로봇 ‘오퍼튜니티(Opportunity)’호가 석고 광맥을 찾아냈다고 발표했다. 석고는 황산칼슘과 액체 상태의 물이 반응해서 만들어지므로 화성에 물이 존재했다는 가장 확실한 증거다. 한때 화성에 거대한 바다가 존재했다면 생명체가 있었을 가능성도 충분하다.

화성의 환경은 예전이 훨씬 더 나았다. 사막지형도 아니었고 대기의 양도 지금보다 많았다. 현재 화성의 대기는 지구의 1퍼센트 정도에 불과하다. 화성이 사막으로 변한 것은 내부의 핵이 굳으면서 자기장이 사라졌기 때문이다. 자기장이 있었다면 태양에서 날아오는 방사능 물질과 유해한 빛을 차단해 주었을 것이다. 그러나 보호막이 사라지자 태양에서 날아온 입자들이 화성 대기를 우주로 날려버렸다. 이후 생명체가 살 수 없는 죽음의 땅이 됐다.
현재의 과학 수준으로는 과거 화성에 얼마나 많은 생명체가 존재했는지 알 수 없다. 그러나 아직 많은 양의 얼음이 존재한다면 이야기가 달라진다. 물을 구할 수 있다면 앞으로 인간이 살아갈 기지를 건설하는 일이 쉬워지기 때문이다. 화성의 역사를 알아내는 것만큼이나 미래의 생존 가능성을 높이는 일도 의미가 크다.


[그림 2] 크기별로 비교한 3대의 화성탐사로봇. 왼쪽 아래가 1997년 착륙한 최초의 화성탐사로봇 ‘소저너(Sojourner)’로 무게가 10킬로그램이고 초당 1센티미터의 속도로 이동한다. 왼쪽 위는 2004년 착륙한 ‘스피릿’과 ‘오퍼튜니티’ 호에 실린 쌍둥이 탐사로봇, 오른쪽 위가 2011년 11월 발사된 탐사선 ‘큐리오시티’ 호에 탑재된 대형로봇이다. 사진 출처 : NASA

화성 탐사선은 달 탐사선과 달리 발사 가능한 시기가 따로 있다. 화성과 지구가 가장 가까워졌을 때다. 화성 탐사선 발사의 창은 약 780일에 한 번씩 돌아오는 이 시기에만 열린다. 만약 2011년 11월에 발사하지 못했다면 2014년 1월까지 기다려야 했을 것이다.

그러나 수많은 난관에도 불구하고 인간은 결국 화성에 착륙할 것이다. 머지않은 미래에는 마스 오디세이가 발견한 물을 이용해 기지를 만들고 화성인으로 살아갈 것이다. 화성은 붉은색 죽음의 별이 아닌 제2의 지구가 되어 인간을 받아들일 것이다.

글 : 이태형 충남대 천문우주과학과 겸임교수, ㈜천문우주기획 대표이사
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최근 미 항공우주국(NASA)에 따르면 화성 극지 탐사선 피닉스호가 화성의 구름에서 눈이 내려오는 모습을 목격했다고 한다. 올해 5월 피닉스호가 화성 북위 68도 지점에 착륙한 뒤 7월에 얼음 상태의 물을 발견하고, 잇따라 과염소산염을 발견하는 등 여러 가지 주목할 만한 성과를 이뤄내고 있다. 화성에 물의 흔적이 있다는 것은 화성 생명체의 존재 가설을 뒷받침해주는 결과다. 또한 지난달 말 화성을 촬영한 사진 속에서 오팔로 보이는 보석을 발견하여 약 20억 년 전 주변에 강이나 작은 연못이 있었을 가능성을 보였다고 하니, 앞으로 계속될 발견이 기대되는 상황이다. 어쩌면 SF영화에서나 봤음 직한 화성 외계인이 오팔 보석을 주렁주렁 몸에 달고 탐사선 앞에 나타날지도 모른다.

우주에서 들려오는 많은 소식 중에서도 화성 극지 탐사선 피닉스호가 화성에서 물을 발견했다는 소식은 우주 탐사에 관한 관심을 더욱 고취시키고 있다. 또한 행성과학자들은 액체의 흔적이 발견된 유로파(목성의 위성)나 타이탄(토성의 위성)에서도 생존하는 생명체를 찾을 확률이 높을 것으로 생각하고 있다.

유로파의 경우 보이저호나 갈릴레이호의 탐사를 통해 운석과의 충돌로 크레이터투성인 우리의 달과 달리 수많은 줄무늬를 가진 유리 거울처럼 매끈한 얼음 표면을 가지고 있음이 밝혀졌다. 무엇보다 과학자들은 영하 160도에 이르는 얼음표면과 달리 그 아래에는 거대한 모행성인 목성과의 조석력에 의해 생기는 열에너지 때문에 물로 이루어진 바다가 있을 것으로 예상하고 있다. 설사 물의 바다가 있다고 해도 태양에너지가 미약한 이곳에 생명체가 살고 있을까?

가능성은 있다. 원래 과학자들은 모든 생명체의 생존 에너지는 태양에서만 오는 것으로 알고 있었다. 하지만 1977년 미국의 심해 잠수정 앨빈호가 태양빛이 전혀 들어오지 않는 갈라파고스 군도의 심해 온천 주위에서 열수에 들어 있는 황을 산화해서 화학적으로 에너지를 끄집어내어 살아가는 세균과 이들 세균과 공생하는 다른 생물을 발견함으로써 우주 생명체에 대한 관점을 바꿔 놓는 발견이 있었다. 이렇게 되면 더 이상 생명체 존재에 있어 태양과의 거리나 태양 에너지의 양은 중요한 요소가 되지 않는 것이 된다. 따라서 유로파 내부에 지구의 열수 분출공과 같은 에너지 제공원이 있다면 지금도 외계 생명체가 심해를 헤엄치고 있을지 모른다.

토성의 위성 타이탄은 유로파보다 더 오래전부터 관심을 받아온 위성이다. 대기를 가진 행성처럼 뿌연 구름으로 덮여 있는 타이탄은 마치 지구의 원시상태모습과도 비견되고 있다. 보이저호나 카시니-호이겐스호의 탐사를 통해 타이탄은 78%의 질소를 가진 지구보다도 더욱 풍부한 98%의 질소를 가진 대기에 메탄으로 된 호수가 있는 것으로 밝혀졌다. 태양계에서 지구 외에 액체 표면이 발견된 것은 타이탄이 최초다.

그럼 이곳에 생명체가 있을까? 아직은 비관적이다. 200~800km나 되는 두께를 가진 타이탄의 대기층은 금성의 대기와 달리 이산화탄소가 없어 온실효과는커녕 태양빛을 차단하고 있어 표면의 온도는 영하 179도에 이른다. 따라서 타이탄에는 생명 발생 이전의 상태가 보존되어 있을 것으로 생각하고 있다. 2005년 유럽우주국의 호이겐스가 타이탄에 착륙하며 대기조사와 바람 소리, 표면 사진을 보내왔으나 생명 조사에 적합한 관측 장비는 싣고 있지 않아 아쉬움이 있었다.

이에 미 항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)의 과학자들은 외태양계 행성 평가 그룹(Outer Planets Assessment Group)회의를 열고 2017년까지 발사할 외태양계 행성 탐사선의 행선지로 유로파와 타이탄에 대해 탐사 시나리오를 검토하기 시작했다. 유로파-목성 탐사 시나리오에는 목성 주변의 혹독한 방사선 속에서도 살아남아 활동하도록 제작되는 궤도 탐사선이 투입되며 이 계획에는 러시아가 유로파 착륙선을 제공하겠다고 제의하는 등 큰 관심을 보이고 있다.

타이탄-토성 탐사 시나리오에는 궤도를 선회할 모선과 타이탄 표면 탐사용 보조 우주선이 투입되는데 보조 우주선에는 착륙선과 대기권 탐사용 열기구가 포함돼 있다. 타이탄의 짙은 대기를 이용한 열기구 탐사선은 기존의 몽골피에 열기구와 같은 원리로 프로판 가스로 기구속의 공기를 데우는 것에 비해 핵전지의 에너지를 이용하는 것이 큰 차이이다. 타이탄에서는 적은 열기로도 높은 부양 능력을 만들 수 있어 2kw의 핵에너지에 12m 직경을 가진 열기구라면 곤돌라에 200kg 정도의 과학 장비를 운반할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 고도 10km에서 타이탄 전체를 이동할 수 있도록 고도계로 측정한 데이터를 바탕으로 열기구의 꼭대기에 설치된 밸브를 이용, 내부 열기의 양을 조절함으로써 고도를 유지하도록 한다.

NASA는 약 7억 달러가 넘지 않는 중간 예산으로 고도로 집중된 우주임무를 수행할 탐사선을 개발하는 새로운 행성 탐사 계획, 이른바 뉴 프론티어 프로그램을 진행 중이다. 지난 2006년에 처음으로 발사된 명왕성과 카이퍼 벨트 탐사선인 뉴호라즌호에 이어 다음 10년 동안에 진행될 뉴 프론티어 프로그램의 탐사 우선순위를 정하기 위해 지난 2004년에 설립된 OPAG는 새로운 외태양계 행성 탐사 사업을 위해 1~5개의 우주선을 선정할 예정이다. 이 사업에는 미국을 중심으로 유럽과 일본, 러시아가 동참할 것으로 예상되며 카시니-호이겐스호에서처럼 국제적인 미션으로 진행될 전망이다.

물은 생명체의 근원이다. 그렇기 때문에 우주 탐사에 있어서 물과 물의 흔적을 발견하는 것은 큰 의미를 갖는다. 비록 우주의 행성이나 위성에서 물이나 물의 흔적이 발견되었다고 해도 생명체가 있다고 단정 짓기는 어려우며 이와 함께 다른 실험과 탐사가 동반되어야 하지만, 우리는 인류의 도전 정신으로 아직 밝혀지지 않은 미지의 우주를 끊임없이 탐험할 것이다.

글: 정홍철 스페이스스쿨 대표


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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