조선일보 이영완 과학전문기자 입력 2019.11.0603:09
NASA, 지난해 11월 태양계 벗어난 보이저2호가 보낸 자료공개 우주입자 변화로 태양계 이탈 확인 지구서 182억km 성간우주비행 중
40년 넘게 우주를 비행했던 미국의 심우주탐사기 보이저 2호가 태양계를 떠나 보낸 자료가 처음으로 공개됐다. 보이저 2호는 1977년 8월 20일 발사돼 태양계 행성을 거쳐 지난해 11월 5일 태양계 밖 성간우주인 인터스텔라(interstellar)에 진입했다. 2018년 11월 5일
미국 항공우주국(NASA) 과학자들은 5일 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 지난해부터 보이저 2호가 보내온 자료를 분석한 연구논문 5편을 발표했다. 과학자들의 예상대로 태양계 끝에는 태양에서 오는 입자가 줄었고 다른 별에서 온 다른 입자들이 늘어났다.
태양은 사방에 전기를 띤 입자를 내뿜고 있다. 이 모습이 마치 태양에서 바람이 불어오는 것 같다고 해서 태양풍이라고도 부른다. 이 태양풍이 미치는 곳이 태양권(heliosphere)이며, 그 끝에서 성간 우주와 접해 있는 곳이 태양권 계면(heliopause)이다. NASA 과학자들은 “보이저 2호가 관측한 태양계의 끝은 좁은 타원형으로 단단한 탄환 같은 모습”이라고 밝혔다.
◇우주입자 변화로 태양계 이탈 확인
태양계 첨단의 자세한 모습은 이번에 처음 확인됐다. 쌍둥이 탐사선 보이저 1호는 보이저 2호보다 늦은 1977년 9월 5일 발사됐지만 성간우주에는 2012년 8월 먼저 진입했다. 먼저 발사된 2호는 천왕성과 해왕성을 탐사하기 위해 1호보다 6년 늦게 성간 우주로 들어갔다. 보이저 1호의 경우 측정 장비가 고장 나 이번 보이저 2호가 보내온 듯한 정확한 모습을 관측하지 못했다.
NASA 과학자들은 보이저 2호가 태양계를 벗어난 사실을 보이저 2호 주변의 플라즈마 성질 변화를 통해 밝혀냈다. 플라즈마는 태양 표면처럼 터무니없이 온도가 높을 때 원자에서 전자가 떨어진 상태를 말한다. 태양권 플라즈마는 온도가 높고 밀도가 낮지만 성간우주는 온도가 낮아 플라즈마 밀도가 높은 것으로 알려져 있었다. 보이저 2호가 태양권을 떠나면서 예상대로 플라즈마의 성질이 바뀌었다고 NASA는 밝혔다.
태양권 모양을 나타내는 그림태양권 밖 별 사이에서 날아오는 입자가 한쪽으로 불어오고 태양에서 나온 플라즈마도 그림처럼 한쪽으로 흐르는 형태로 나타난다. 심우주탐사기 보이저 1호와 2호는 각각 2012년 8월, 2018년 11월 태양풍이 미치는 태양권을 떠나 성간 우주로 들어갔다. / NASA
태양권 계면이 11년 주기로 폐처럼 늘어나 감소할 것으로 예상했지만 이 역시 보이저 2호를 통해 입증됐다. 2012년 보이저 1호가 태양권 계면에 닿았을 때 거리가 122.6AU(1AU는 태양과 지구 간 거리인 약 1억4900만㎞)였으나 보이저 2호는 119.7AU로 태양권 계면에 도달한 것으로 확인됐다. 보이저 1호가 태양계를 떠날 때는 태양활동 극대기로, 보이저 2호는 태양활동이 최저점에 가까울 때 태양권 계면을 넘어섰기 때문이다.
보이저 1·2호는 시간차를 두고 나란히 목성, 토성을 통과한 뒤 서로 나뉘어 다른 방향으로 진행했다. 1호는 토성을 거쳐 태양계 밖으로 향했고 2호는 천왕성과 해왕성까지 탐사한 뒤 태양계 밖으로 향했다.
이번에 보이저 2호가 보내온 자료를 통해 두 탐사선의 위치를 확인하고 태양권이 대칭적인 모습이라는 사실도 확인됐다. 캘리포니아공대 물리학 교수이자 보이저 프로젝트 책임자인 에드워드 스톤 박사는 “보이저 2호는 태양이 은하의 성간 우주를 채우고 있는 물질과 어떻게 상호작용하는지 보여줬다”면서 “보이저 2호가 보내온 새로운 자료가 없었다면 보이저 1호를 통해 본 것이 특정 부분이나 시간대 현상인지 태양권 전체의 현상인지 몰랐을 것”이라고 말했다.
◇우주인에게 전하는 한국어 인사도 담아
보이저 1호도 과학 발전에 기여했다. 1979년 보이저 1호는 당시에는 미지의 행성이었던 목성의 대적점(거대폭풍)과 대기를 처음 촬영했다. 이듬해에는 토성에서 12만㎞ 떨어진 지점에 접근해 토성의 고리가 1000개 이상의 띠로 구성되어 고리 사이에는 큰 틈이 있다는 사실도 밝혀냈다.
보이저 탐사선은 원래 목성과 토성을 탐사하는 4년 프로젝트로 시작됐지만 1989년 성간 우주탐사로 목표가 바뀌면서 42년째 탐사활동을 이어가고 있다. 보이저 탐사선은 당시 최신 기술이었던 스윙바이(swingby·중력지원) 항법을 사용해 동력을 크게 절감했다. 행성 가까이 가서 액체연료로 작동하는 추력기를 끄고 중력이 당기는 대로 가속이 붙어 이동하면서 방향을 바꿀 때만 추력기를 작동해온 것이다. 마치 태양계의 여러 행성을 징검다리처럼 이용하는 것이다. 보이저는 이 기법을 이용해 목성 중력으로 추가 연료 소모 없이 시속 6만㎞의 속도 증가 효과를 얻었다. 보이저에는 국어도 실려 있다. NASA는 천문학자 칼 세이건의 제안으로 우주에서 조우하게 될 외계생명체에 지구와 인류를 알리기 위해 각종 그림과 클래식 음악, 한국어를 포함한 55개 언어로 인사 등을 담은 금제 은반을 보이저에 실었다.
현재 보이저 1호는 지구에서 약 220억㎞, 보이저 2호는 182억㎞ 떨어진 곳을 비행 중이다. 보이저 2호가 있는 곳은 빛의 속도라고 해도 16시간 반 걸리는 먼 곳이다. 비행속도는 시속 5만5000km에 이른다. 두 탐사기는 모두 방사성 물질인 플루토늄이 내는 열을 전기로 바꿔 사용하고 있다. 보이저는 5년이 지나면 동력이 떨어져 더 이상 지구에 자료를 보낼 수 없을 것으로 보인다. 보이저 외에 태양계를 벗어난 탐사선이 없어 동력을 인정받는 대로 관측 자료를 전송받을 계획이다.