7년 전 역대 최대, 최고가의 행성간 탐사선이 케이프 케너브럴에서 발사되었다. 이 탐사선에는 12종의 첨단 과학장비와 이들의 동력원인 플루토늄 72파운드, 그리고 태양계 내에서 지구를 제외하고는 유일하게 질소가 포함된 대기층에 둘러싸인 토성을 향해 발사될 캡슐이 탑재되어 있다.
발사후 이 우주선은 텅빈 우주 공간을 항해하며 곧 소수의 과학자와 우주광들을 제외한 대부분 사람들의 기억속에서 사라졌다. 그 이후 NASA는 국제우주정거장과 화성 궤도 선회 및 착륙선(둘 다 실패했다), 공중 폭발한 콜럼비아호와 성공작인 화성 탐사선 스피릿호와 오퍼튜니티호를 발사했다.
부시 대통령은 다시 인간을 달에 보내는 계획까지 발표했다. 그러는 동안 잊혀진 토성 탐사선은 조용하게 태양계를 가로지르며 22억 마일 가량을 항해했다. 이번 달에 카시니 우주선은 드디어 목적지인 토성에 도달한다.
이곳에 도착하면 이 우주선은 잠시나마 달과 화성, 이라크에 쏠렸던 관심을 다시 끌게 될 것이다. 7월 1일 카시니의 주엔진이 발사되어 우주선의 속도가 줄어들면서 토성이 사상 최초로 인공위성을 맞이하게 된다. 카시니는 토성의 두 개 띠 사이를 뚫고 비행하면서 카메라와 원격 감지 장비들의 초점을 이 띠들에 맞출 것이다.
“이 사진들을 보면 아마 사람들이 깜짝 놀랄 겁니다”라고 카시니 탐사 임무를 관장하는 NASA 제트 추진 연구소의 과학자인 캔디스 한센-코하첵이 말한다.
탐사 비용이 33억 달러에 달하는 카시니는 화성 탐사선 스피릿과 오퍼튜니티의 비용을 합친 것보다 4배 이상이 비싸다. 카시니가 스쿨버스만한 크기인데 비해 화성 탐사선들은 골프 카트 크기에 불과하다. 더구나 이 탐사선들은 카시니가 대장정에 올랐을 때 NASA 과학자들의 상상속에서만 존재했었다. 카시니가 역대 최대 규모, 최고의 탐사 임무가 된 까닭은 지구와 목성간 거리의 두 배나 되는 항해 거리 때문만이 아니라 토성에 도달해서 하게 될 역할 때문이기도 하다.파이오니어 11호와 보이저 1, 2호가 20년 전 토성에 도착했을 때 이 탐사선들은 그냥 목성을 스쳐 지나서 태양계 밖으로 사라져 버렸다. 하지만 카시니는 토성 궤도를 4년간 74차례 돌면서 이 신비로운 행성을 다각적으로 조사한다.
이 우주선은 탑재된 여러 가지 장비들을 이용해 토성과 강풍이 부는 토성 대기를 촬영하고, 얼어붙은 위성들의 표면을 지도로 작성하며, 토성 띠들의 성분과 자전을 연구해 이상한 “바퀴살들”이 생겼다 사라지는 이유를 알아내고, 토성 둘레의 강한 자기장을 측정해 토성 내부의 금속성 액화수소에 관한 정보를 얻는다.
카시니는 유럽우주국에서 제작한 호이겐스 탐사선을 토성의 가장 큰 위성인 타이탄에 투하하게 되는데, 이곳의 안개같은 대기 밑에 가솔린과 유사한 액체로 된 호수들이 숨겨져 있을 가능성이 있기 때문이다.
타이탄이 특히 관심을 끄는 이유는 태양계 내의 위성으로는 유일하게 자체 대기와 구름을 갖고 있기 때문이다. 수성이나 지구의 달보다도 큰 타이탄은 태양계에서 아직까지 탐사가 이루어지지 않은 가장 큰 장소이다. 타이탄의 대기는 지구의 대기처럼 대부분 질소로 이루어져 있지만 불투명한 대기 속에는 상당량의 메탄도 포함되어 있다. 과학자들은 햇빛이 이 메탄 가스에 부딪쳐 탄화수소 스모그의 형성을 촉발시키는 것으로 믿고 있다. 타이탄은 추운 곳이어서 탄화수소 중 일부가 응결해 비가 되어 이 위성의 표면에 내린다.
산소를 뿜어내기 전, 지구대기와 유사
이런 원시적인 대기는 살아있는 유기체가 산소를 뿜어내기 전의 지구 대기와 유사할 수도 있다. “과학자들이 타이탄에 열광하는 이유는 이 위성이 30~40억년 전의 지구와 흡사하기 때문입니다”라고 NASA의 카시니 프로그램 책임자인 밥 미첼이 말한다. “처음부터 우리는 2004년을 생각하고 있었습니다”라고 한센 코아첵이 말한다. 카시니가 토성 궤도에 진입하기도 전에 분위기가 고조되었다. 6월 11일 카시니는 토성의 가장 먼 위성들 중 하나인 포에베로부터 1,240마일 떨어진 곳까지 접근해 최초로 목성계를 직접 관찰하게 된다. 이즈음 전세계에서 200명의 과학자들이 컴퓨터 앞을 서성거리며 최초의 전송 자료가 화면에 뜨기만을 초조하게 기다릴 것이다. (실시간 업데이트 자료는 saturn.jpl.nasa.gov 참조)
“뭘 발견하게 될지는 아무도 모릅니다”라고 카시니 팀 전체에 퍼져 있는 기대감이 묻어나는 목소리로 미첼이 말한다. 행성과학자들은 이미 달과 화성에 관해 충분한 지식이 있어 화성 표면에 과거에 물이 있었는지와 같은 구체적 사항을 파악한 채 그에 알맞게 설계된 우주선을 보내지만 토성의 경우에는 아직 정찰 단계에 머물러 있다.
그 때문에 NASA는 토성과 위성들을 폭넓게 조사할 수 있는 다목적용 우주선을 보내고 있다.
만약 카시니가 대성공작이라면 NASA의 12년 된 “더 빠르고, 우수하고, 저렴하게“라는 원칙은 입지가 약화된다. 카시니는 세 가지 요건 모두 벗어났기 때문이다. NASA의 제트추진 연구소에서는 벌써부터 이보다 훨씬 막대한 비용이 드는 “대규모 과학” 임무를 기획중이다. 즉, 목성의 얼음 덮힌 위성들의 궤도를 도는 핵추진 우준선을 이용해 목성의 세 위성에 감춰진 생명체의 흔적을 찾는 것이다.
목성 탐사 임무는 아직 초기 기획 단계여서 아무리 빨라도 2012년 이후에나 탐사선 발사가 가능하다. 하지만 카시니와 호이겐스호가 목성게로부터 놀라운 결과를 보내오면 수십억 달러짜리 프로젝트들도 아주 저렴해 보일 것이다.
토성 띠 탐사선
토성은 밤하늘에서 분명 가장 멋진 별이지만 밝은 띠들로 장식된 채 30개가 넘는 큼직한 위성들을 갖춘 토성에 대해 우리가 알고 있는 것은 놀라울 정도로 적다. 1970년대에 파이오니어 11호와 보이저 1, 2호가 잠시 접근 비행을 하긴 했지만 이 행성은 아직도 멀고 신비스런 존재로 남아 있다. 하지만 이번 달을 기점으로 사상 최대, 최고가, 최정밀 행성간 우주선인 카시니가 토성과 위성들을 선회함에 따라 이 모든 것이 바뀌게 될 것이다. 이전의 탐사선들이 며칠간의 탐사에 그쳤던 데 비해 카시니는 최소한 10배는 더 정밀해진 장비들을 갖춘 채 4년간 토성을 조사하게 된다.
이번 탐사에서 가장 중요한 순간인 6월 1일 카시니의 주엔진이 95분간 점화되며 우주선을 감속시켜 토성 궤도에 진입하게 한다. “이때가 아마 발사할 때를 제외하고는 전체 임무중 가장 위험한 순간이 될 겁니다”라고 카시니 프로그램 책임자인 밥 미첼이 말한다. 세부적인 궤도 진입 계획은 아직 수립되지 않았지만 향후 4년간 카시니는 토성 둘레를 74차례 돌며 얼음에 싸인 위성들을 수십 차례 접근 통과하게 되는데 모든 게 잘 될 경우 카시니의 후임 우주선이 도착할 때까지 지구로 충분한 발견 자료를 전송할 수 있을 것이다.
위성들 사이로 전진
토성은 직경이 12.5마일에 불과한 것들을 포함해 총 31개의 위성을 거느린 것으로 알려져 있는데, 카시니가 탐사 과정에서 위성을 추가로 발견할 수도 있다. 토성의 최대 위성으로 화성만한 크기의 타이탄은 태양계에서 지구를 제외하고는 유일하게 대기가 대부분 질소로 이루어져 있다. 또 타이탄은 지구 이외에 표면 곳곳에 바다가 있는 유일한 곳이라고 과학자들은 믿고 있다. 중간 크기의 다른 6개 위성들인 미마스, 엔셀라두스, 테티스, 다이오네, 레아와 이아페투스(토성으로부터 220만 마일 떨어져 있어 안보임)는 냉각 상태의 물로 되어 있을 가능성이 있지만 과학자들은 좀 더 자세히 조사해 봐야 확실한 걸 알 수 있다고 한다. 하이페리온은 가장 큰 비정형 위성이다. 이 우주선과 탐사선 명칭의 유래가 된 진 도미니크 카시니와 크리스찬 호이겐스는 유럽의 천문학자들로 17세기에 토성의 가장 큰 위성 5개를 발견했다.
탐사선의 크기
카시니는 스쿨 버스 크기만한 대형 우주선으로 굉장히 복잡한 구조로 되어 있다. 높이가 6.6미터를 넘고 무게는 6톤에 달하며 7마일의 배선과 2만 개의 전선들로 연결되어 작동된다. 이런 대형 우주선 카시니에는 엄청난 전력을 소모하는 12가지 장비들과 관련 교신 장비가 들어 있다. 태양과 목성 사이 거리의 두 배가 되는 곳이어서 태양광선이 별로 비추지 않아 카시니는 플루토늄을 전력원으로 사용한다. 3개의 방사능동위원소 열전기 발전기들이 72파운드의 플루토늄이 붕괴하면서 발생한 열을 전기로 바꾸어 이 우주선을 가동시킨다. 타이탄 표면 지도 작성용 카메라와 구름 관통 레이다, 표면과 대기, 테들의 화학성분을 연구하기 위한 분광기 같은 장비들이 일단 자료를 수집하면 3개의 안테나들이 이 자료를 초당 249킬로비트의 속도로 지구에 전송하게 된다
재활용되는 신생 테들
토성의 중요한 특징인 테들은 가장 베일에 싸인 대상이기도 하다. 엄청난 크기와 밝기로 볼 때 이 테들은 행성들에 비해 어려 수천만년 된 것으로 추정된다. 왜냐하면 토성의 작은 위성들이 끊임없이 이 테들의 구성 물질인 가스와 먼지들을 축적시켰다가 흐트러뜨리는 과정을 반복했기 때문이다. 과학자들은 이 테들을 이용해 태양계의 형성 과정에 대해 더 많은 것을 알아낼 것이다. 토성의 테와 같이 가스와 먼지로 된 원반이 50억년 전 초기 태양 주위를 돌다가 결국 행성들이 되었다.
타이탄에 착륙
2004년 크리스마스 이브에 카시니는 호이겐스라는 700파운드짜리 탐사선을 토성의 최대 위성이자 태양계 내에서 가장 신비스런 천체인 타이탄을 향해 발사한다. 타이탄은 지구 대기보다 5배나 짙은 메탄-질소 성분의 대기로 둘러싸여 있다. 과학자들은 이 메탄 중 일부가 응축해 구름을 형성했다가 영하 180 에서 액화 탄화수소 비를 타이탄 표면에 뿌리는 것으로 생각하고 있다. 만약 이게 사실이라면 액체로 가득 찬 웅덩이나 바다도 표면 곳곳에 존재할 수 있다. 호이겐스가 대기를 뚫고 낙하하는 동안 카메라들이 사진을 찍게 되는데, 우리가 이전에 전혀 보지 못한 이국적인 풍경이 포착될 것으로 예상된다
년간 35억㎞항해 토성 탐사선 궤도진입
전세계 천문학자들의 가슴을 설레게 하는 대형 우주이벤트가 펼쳐진다. 7월1일 우주 탐사선 `카시니-호이겐스호(號)’가 35억㎞의 긴 우주항해 끝에 우주연구사상 최초로 토성궤도에 진입했기 때문이다. 1997년 10월15일 미국 플로리다주 우주기지에서 발사된 지 7년만의 일이다. 카시니-호이겐스호의 토성궤도 진입을 계기로 미국과 유럽이 공동으로 추진하는 ‘카시니-호이겐스 프로그램’이 마침내 세인의 관심사로 떠오르고 있다.카시니-호이겐스 프로그램이란= 미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA), 그리고 이탈리아 우주국이 공동으로 참여하고 있다. 카시니호는 우주선이고 호이겐스는 토성의 가장 큰 위성인 `타이탄’에 착륙하는 소형 탐사선이다.
NASA와 ESA가 각각 카시니, 호이겐스를 제작했고 이탈리아 우주국은 카시니의 접시모양 안테나를 맡았다.
카시니호는 12개의 과학장비와 핵연료 배터리를 싣고 1997년 10월 15일 발사됐다. 앞으로 4년간 토성궤도에 머물며 카메라 2대를 이용해 토성과 주변 위성을 촬영해 50만장의 사진을 전송할 예정이다.
카시니호는 이미 토성의 31개 위성의 하나인 `비피’를 2천㎞거리로 지나가며 비피의 사진을 촬영해 지구에 보내왔다. 카시니호는 7월1일 궤도진입을 위해 96분동안 로켓을 점화해 속도를 줄인다. 이때 로켓의 점화가 정확히 이뤄지는지 여부가 궤도진입의 성패를 좌우한다.오는 12월25일께 타이탄 위성에 근접하며 내년초 소형 탐사선인 호이겐스를 낙하산으로 타이탄에 내려보내 4시간 정도 작동하면서 타이탄의 정보를 미국-유럽의 공동연구팀에 보내올 예정이다.천문학자들이 가장 기다리고 있는 것도 바로 호이겐스가 보내오는 타이탄의 정보들이다. 타이탄의 대기와 표면에 대한 새로운 정보들이 기대되고 있다.타이탄은 태양계 행성인 수성.명왕성보다 크고 달의 1.5배 정도다.기존의 토성 탐사선들= 지금까지 토성을 탐사했던 우주선은 보이저1,2호, 파이어니어 11호. 그러나 카시니호와 달리 기존 탐사선들은 토성을 스쳐지나가면서 사진을 보내왔을 뿐 토성궤도에 진입하지는 못했다.
미국의 태양계 탐사선 파이어니어11호는 1973년 4월6일 발사돼 1974년 목성 구름 위 4만2천900㎞ 상공을 지나면서 목성과 위성들의 사진 500여장을 전송했다.
목성탐사를 끝낸 파이어니어11호는 1979년 9월1일 토성에 2만2천㎞까지 접근해 행성과 고리, 위성에 대한 사전조사를 했다. 이를 통해 토성도 목성처럼 태양으로부터 받는 에너지의 2배에 달하는 열을 우주로 방출하고 토성 주위의 자기장 크기가 예상보다 작다는 사실을 알게 됐다. 토성탐사를 마친 파이어니11호는 우주속으로 사라져 버렸다.
보이저1호는 1980년 11월12일 토성을 지나가면서 행성과 위성에 관한 자료와 사진을 보내왔다. 보이저2호는 1981년8월26일 토성을 지나면서 11개의 과학장비를 이용해 토성의 대기층이 목성에 비해 두껍고 대기층의 띠는 목성과 달리 극지역까지 있으며 띠의 폭은 북반구에 비해 남반구에서 더 넓다는 사실을 알아냈다.
또 적도에서 부는 바람은 목성에서 부는 바람보다 5배나 빠른 시속 1천500㎞이상이라는 사실도 알려왔다.
토성은 어떤 행성인가= 태양계의 6번째 행성으로 목성에 이어 두번째로 크다.1610년 갈릴레이에 의해 연구가 본격화된 토성은 지름이 약 12만㎞로 지구의 9배이며 부피는 750배에 달한다. 무게는 지구의 95.1배이며 표면중력은 지구와 비슷하다.
토성의 대기는 목성과 마찬가지로 대부분 수소와 헬륨으로 이뤄졌다. 내부는 중심부분만 고체고 나머지는 압축된 헬륨과 수소로 이뤄진 것으로 추정되고 있다.토성은 태양과 약 14억㎞떨어져 있고 대기층의 평균온도는 영하 145도정도다.표면온도는 지구가 태양으로부터 받는 열량의 100분의 1밖에 안돼 영하 180도를 기록한다.토성궤도의 경사각은 26.75도이며 초속 9.7㎞속도로 태양계를 돌아 29.6년만에 태양의 둘레를 공전한다. 자전속도는 엄청나게 빨라 하루는 지구의 반나절에 불과하며 낮과 밤의 길이는 10시간40분이다. 토성표면에는 목성처럼 가로줄 무늬와 반점이 있는데 이것은 자전주기가 빨라서 대기의 격렬한 흐름과 소용돌이 때문에 나타난 것으로 밝혀졌다.토성은 태양계 행성중 가장 많은 위성을 갖고 있다. 현재까지 확인된 것만도 31개에 이른다.
(파퓰러 사이언스 2004 . 7 기사)
