[기획] 로제타와 필레, 그 위대한 도전 - 발사에서 착륙까지

유럽 우주국 (ESA) 의 숙원 사업이었던 로제타(Rosetta) 프로젝트가 이제 클라이맥스에 도달했다. 바로 혜성 착륙이다. 이날을 위해서 유럽 우주국은 수십 년을 기다렸다고 할 수 있다. 작은 냉장고 만한 (1X1X0.8m) 크기의 우주선을 혜성에 착륙시키기까지의 우여곡절과 역사를 소개한다.

- 시작부터 좌초될 위기의 혜성 탐사계획

로제타 계획의 뿌리는 1986년 지구에 멋진 혜성 쇼를 보여준 핼리 혜성으로까지 거슬러 올라간다. 이때 천문학자들은 이 유서 깊은 혜성에서 여러 가지 귀중한 과학적 데이터를 얻는데 성공했다. 그러나 다른 한편으로 혜성에 좀 더 가까이 다가가야 한다는 사실도 깨닫게 된다.

유럽 우주국은 1986년 3월 13일 핼리 혜성에서 596km 떨어진 지점에 탐사선 지오토(Giotto)를 보내는 데 성공했다. 지금 생각하면 꽤 멀리 떨어진 위치 같지만 사실 그때까지 먼지와 가스를 뿜어내는 혜성의 핵에 가장 가까이 다가간 것이었다. 여러 가지 과학적 정보를 알아낸 것은 물론이다.

과학자들이 생각한 대로 혜성은 '더러워진 눈사람'이었다. 하지만 혜성을 구성하는 물질에 대한 구체적인 데이터는 부족했다. 혜성은 대부분 태양계 초창기에 생성된 후 변화 없이 지내던 천체다. 따라서 혜성을 가리켜 '태양계의 타임캡슐'이라고 부르곤 한다. 만약 그 타임캡슐에 보존된 정보를 막힘 없이 꺼낼 수만 있다면 태양계가 어떻게 형성되었는지, 지구는 어떻게 형성되었는지에 대한 결정적인 단서들을 알아낼 수 있다. 일부 과학자들은 더 나아가서 혜성이 생명탄생에 결정적인 역할을 했다고 믿고 있다.

이후 유럽 우주국은 물론 미국의 나사(NASA)는 혜성을 탐사하는데 서로 협력하기로 했다. 유럽 우주국은 혜성 핵 샘플 리턴 미션(Comet Nucleus Sample Return (CNSR) mission)을 추진했고 나사는 동시에 혜성 랑데부 소행성 플라이바이 미션(Comet Rendezvous Asteroid Flyby (CRAF) mission)을 계획했다. 전자가 혜성의 핵에 착륙해 샘플을 채취해 돌아오는 위험한 미션을 맡은 반면 후자는 혜성 근방에서 물질을 채취하고 데이터를 수집하는 일을 담당했다. 그리고 양측은 같은 디자인의 우주선(Mariner Mark II)을 기반으로 미션을 진행하기로 합의했다.

그런데 1992년이 되자 나사 측이 예산상의 이유로 이 계획에서 빠지게 되면서 전체 계획이 위기를 맞이했다. 훗날 나사는 취소된 CRAF 대신 딥 임팩트(Deep Impact)를 비롯한 다른 미션으로 대부분의 계획을 달성했다. 그러나 여기에 혜성 착륙해서 샘플을 가지고 지구로 귀환하는 목표는 들어있지 않았다.

유럽 우주국은 중대한 결단을 내려야 하는 상황에 직면했다. 나사라는 든든한 파트너 없이 혼자 샘플 리턴 프로젝트를 진행할 것인가, 아니면 계획을 수정할 것인가? 그것도 아니라면 아예 계획을 백지화할 것인가? 유럽 우주국이 내린 결단은 계획을 수정하는 것이었다.

샘플 리턴 계획은 유럽 우주국 혼자의 힘으로는 성공 가능성이 높지 않다는 결론이 나왔던 것이다. 가능하면 샘플을 가지고 지구로 돌아오면 좋겠지만 그러려면 지구까지 귀환을 고려, 훨씬 큰 우주선이 필요했고 유럽 우주국이 가진 예산으로는 거의 성공 가능성이 없었다.

그래서 수정된 계획이 바로 현재의 로제타 프로그램이다. 탐사선 로제타는 혜성에 근접, 혜성의 인공 위성이 되어 혜성의 표면을 자세히 관측한다. 그리고 착륙선을 내려보내 혜성 표면에서 상세한 관측을 시행한다. 사실 이것만으로도 이제까지 시도된 적이 없었던 야심 찬 계획이었다.

- 혜성으로 출발하기까지

탐사선의 명칭은 로제타로 지어졌는데 이는 이집트 성형 문자 해독에 결정적 기여를 한 로제타석에서 유래되었다. 착륙선인 필레(Philae) 역시 문자 해독에 중요한 자료를 제공한 오벨리스크가 있는 나일 강의 섬에서 유래했다. 참고로 착륙 예정 지점인 아질키아는 이 필레섬 유적이 아스완 댐 건설로 침수될 상황에 놓이자 유적을 옮겨놓은 섬 이름이다.

본래 로제타는 46P/Wirtanen(이하 46P) 혜성을 목표로 삼았다. 발사는 유럽 우주국이 가진 가장 큰 로켓인 아리안 5를 사용하기로 결정했다. 그러나 여기서 예기치 않았던 사건이 발생한다. 본래 발사 일정은 46P 혜성의 공전 궤도를 감안 2003년 1월 12일에 발사해서 20011년에 이 혜성에 도달하는 것이었다.

하지만 2002년, 아리안 5 로켓 발사가 실패하면서 아리안 5 로켓의 발사가 중단되게 된다. 결국, 일정이 연기되면서 46P 혜성은 도달할 수 없는 목표가 되고 말았다. 다행히 너무 늦지 않게 대타를 찾을 수 있었는데 그것이 바로 현재 로제타가 탐사 중인 67P/Churyumov–Gerasimenko(추류모프-게라시멘코, 이하 67P) 혜성이다.

결국 2004년 3월 2일, 로제타의 발사 일정에 맞출 수 있는 최적의 혜성으로 선택된 67P 를 향해서 성공적인 발사가 이뤄졌다. 이후 10년 이상의 대장정의 막이 오른 것이다.

- 10년간의 대장정

로제타는 발사 시 중량이 2,900kg 정도 되는 대형 탐사선으로 1,670kg 중량의 연료를 제외하고도 1,230kg 이나 되는 무게를 가지고 있다. 두 개의 거대한 태양전지 패널은 총 64 제곱미터의 면적으로 태양에서 멀리 떨어진 위치에서 로제타가 필요한 전력을 공급할 수 있었다. 착륙선인 필레의 무게는 약 100kg 이다.

이렇게 든든하게 준비를 하고 출발했지만 67P 은 아주 멀리 떨어진 혜성이다. 태양에서 가장 가까워지는 위치(원일점)는 약 8억 5000만km 정도이고 태양에서 가장 가까워지는 지점(근일점)은 1억 8600만km 정도인데 거리도 거리지만 이 혜성에 랑데부하기 위해서는 혜성과 같은 속도로 가속할 필요가 있었다. 문제는 그렇게 가속하기에는 연료가 부족하다는 것이었다. 연료를 더 탑재하면 되지 않느냐고 반문할 수 있지만 그렇게 되면 비용이 천정부지로 뛰게 된다. 이미 예산이 16억 달러 규모로 커진 상태였다.

이 문제를 해결하기 위해서 로제타는 고전적이지만 효과적인 방법인 중력도움(gravity assist, 혹은 swing-by나 flyby라고도 한다)을 받기로 한다. 쉽게 말해 다른 천체에서 에너지를 빌려서 가속을 하는 것이다. 우선 로제타는 2005년에 지구에 근접해 중력도움을 얻고 2007년에는 화성표면에서 불과 250km 에 불과한 위치에서 궤도를 수정한다. 다시 2007년에 지구에서 두 번째 중력도움을 받은 후 2008년에는 소행성 2867 스테인스에서 중력도움을 얻었다. 다시 2009년에 지구에서, 2010년에 소행성 21 루테티아에서 중력도움을 얻은 후 2011년에는 동면에 들어가게 된다.

오랜 여정 끝인 2014년 초, 로제타는 동면상태에서 깨어났다. 그리고 다시 혜성에 접근하기 위한 복잡한 일련의 과정을 수행한 후 마침내 혜성 67P에 근접해서 혜성 주위를 공전하게 된 것이 2014년 8월이다. 로제타는 성공적으로 혜성 주변을 공전하면서 데이터를 수집하기 시작했다. 로제타가 보내온 혜성의 근접 사진은 많은 이들을 경탄시켰는데 지금까지 혜성에 대해서 막연히 가지고 있던 상상을 초월하는 독특한 구조였다.



- 로제타의 관측

로제타는 이후 수개월에 걸쳐 혜성의 모습을 다각도에서 촬영했다. 그런데 혜성 67P는 점차 태양으로 다가서고 있었다. 최초로 혜성이 태양에 근접해서 물질을 증발시키는 장면을 근접 관측할 기회가 생긴 것이다. 과학자들은 지금까지 혜성이 얼음, 드라이아이스, 먼지 등으로 구성되어 있으며 태양에 가까워지면 이를 증발시켜 거대한 꼬리를 만든다고 알고 있었다. 그런데 실제로 그 장면을 가까이에서 본 적은 없었다.

2014년 9월 26일, 로제타는 혜성에서 뿜어져 나오는 가스의 제트를 선명하게 관측했다. 혜성이 아직 물질을 증발시키기 전부터 추적하면서 점차 태양에 가까워지며 꼬리를 만들어가는 과정을 생생하게 추적하게 된 것이다.



- 지구중력 10만분의1 혜성에 '소형 냉장고'만한 필레 안착할까

로제타의 상세한 관측 결과를 토대로 유럽 우주국의 과학자들은 신중하게 착륙 후보지를 선택했다. 두 번의 기회는 없기 때문이었다. 5개의 후보 지역 가운데 최종적으로 J라고 명명된 지역이 1차 착륙 후보지로 결정되었는데 앞서 이야기했듯이 '아질키아'라는 명칭이 붙었다.



필레는 현지시각으로 11월 12일 역사적인 착륙 시도에 돌입했다. 지구 중력의 10만분의 1 수준인 낮은 중력의 천체 표면에 달라붙어야 하기 때문에 사실 간단한 문제라고는 할 수 없다. 필레는 특수한 다리 3개와 2개의 작살로 표면에 안정적으로 붙어 있기 위해 최선의 노력을 할 것이다. 사실 혜성이 태양에 다가가면서 표면에서 가스가 분출될 수 있는 데다 중력도 낮고, 표면도 경사가 있기 때문에 성공 여부는 그야말로 손에 땀을 쥐게 하는 초미의 관심사이다.

인류의 또하나의 위대한 도전은 이제 불과 몇시간후면 (한국시각 13일 오전 1시 이후) 성공 여부를 알 수 있다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com