달 안에 물을 찾아 - 엘크로스 프로젝트

달 안에 물을 찾아 - 엘크로스 프로젝트

과학향기

한국시간으로 지난 10월 9일 미항공우주국(NASA)의 엘크로스(LCROSS, Lunar Crater Observation and Sensing Satellite)가 달에 있는 물의 존재를 확인하기 위해 시도한 달 충돌 실험이 성공적으로 끝났다. 관측 자료를 분석해 최종 결론을 내리기까지는 조금 더 기다려야 한다.

엘크로스 프로젝트는 빠른 시간 내에 달에 물이 있는지 조사하기 위해 시작됐다. 추진체 연료통을 버리지 않고 달까지 가지고 간 뒤 달의 남극에 부딪힌다는 아이디어. 이는 다소 무모하게 보이지만 충돌에 의해 분출되는 물질을 조사하면 물이 있는지 확인할 수 있다는 생각에서 비롯됐다.

달에 물이 있을 가능성은 어떻게 제기된 것일까? 1970년 후반에 마무리된 미국의 아폴로 프로젝트는 ‘달에 물이 존재하지 않고 생명체도 없다’는 결론을 내렸다. 하지만 1998년 루나 프로스펙터 탐사선은 달의 극 지역에 수소가 집중적으로 분포된 것을 발견해 달에 물이 존재할 가능성을 시사했다.

우리가 잘 알다시피 물은 수소와 산소로 이루어졌다. 달에는 종종 혜성이 충돌하기도 하는데 혜성은 절반이 물로 구성된 것으로 알려져 있다. 만약 혜성이 달의 극 지역에 충돌했다면 달 표면에 물이 스며들었을 가능성이 있는 것이다. 더욱이 달의 자전축이 태양 방향에 거의 수직이므로 극 지역은 태양빛을 보기 힘들고, 크레이터 안쪽은 지금까지 태양빛이 한 번도 비춰지지 않았다. 따라서 이 지역에 얼음 형태의 물이 있을 가능성이 매우 높다고 생각된다.

엘크로스 위성은 1단 발사체(아틀라스5)와 2단 추진체(센타우르), 엘크로스, 달 정찰위성(LRO)로 구성됐고, 지난 6월 18일에 미국 플로리다주 공군기지에서 발사됐다. 1단 추진체가 분리돼 지구를 벗어난 뒤에 달 정찰위성이 분리됐다. 이 위성은 달 주위를 돌며 충돌 위치를 찾고, 충돌할 때 발생하는 현상을 관측하게 된다. 2단 추진체인 센타우르는 가장 마지막에 분리돼 첫 번째로 달과 충돌한다. 위성본체인 엘크로스는 이 때 발생하는 섬광과 분출물을 관측하기 위해 한 번 더 충돌하도록 계획돼 있다.

1단 추진체가 분리된 후 센타우르-엘크로스는 석 달 동안 달보다 훨씬 기울어진 궤도로 지구 주위를 달과 같은 속도로 돌았다. 추진체 내부에 남아있던 물질을 최대한 증발시켜 충돌시 인위적인 오염을 방지하기 위해서다.

이 기간 동안 연구자들은 달 정찰위성으로부터 들어오는 최신 정보를 받아 세부적인 충돌지점을 선정하는 숨 가쁜 일정을 진행했다. 이 작업에는 달 정찰위성 뿐 아니라 일본의 가구야 탐사선과 인도의 챤드라얀 탐사선 자료도 활용돼 달 탐사 선진국이 힘을 한데 모았다.

엘크로스는 발사 뒤 86일간 달 주위를 비행하며 센타우르 로켓을 충돌시킬 정확한 위치를 찾았다. 센타우르 로켓을 충돌시켜 달 표면의 물질이 공중으로 솟아오르게 한 뒤 엘크로스가 솟아 오른 물질 사이를 통과하며 관측활동을 벌렸다. 그 뒤 엘크로스도 달에 충돌했다. 사진제공.NASA

달 주위를 돌던 센타우르-엘크로스는 충돌 10시간 전에 커베우스 크레이터를 향해 센타우르 추진체를 쏘게 된다. 센타우르가 충돌한 지 4분이 지나면 엘크로스도 동일한 지점에 충돌하는데 이 때 첫 번째로 충돌하면서 발생한 섬광 등을 자세히 관측하게 된다. 어차피 엘크로스 위성은 재사용할 게 아니므로 최대한 가까이 접근해 충돌시 분출되는 물질의 구성성분을 자세히 분석하는 것이다.

엘크로스의 달 충돌은 미리 분리된 달 정찰위성과 엘크로스 위성 외에 지구에서도 관측한다. 충돌하고 난 뒤 긴 시간 동안 분출물 이동과 변화를 살피기 위해서다. 또 혹시 모를 위성본체의 오작동을 대비하기 위해 지구에서의 관측은 필요하다.

이런 이유로 세계에서 가장 좋은 망원경이 즐비한 하와이에서 관측하기 좋도록 충돌 시간을 잡았다. 지상관측팀의 일원으로 참여하게 된 한국천문연구원은 원격 망원경이 위치한 레몬산 천문대(미국 서부 아리조나 주 소재)에서 충돌 시점에 발생하는 섬광 영상을 관측했다. 또 우리나라의 보현산 천문대(경북 영천 소재)에서도 충돌이 일어나고 한 시간 뒤 달이 뜨는 시점에 맞춰 분광관측을 하고, 분출물 성분을 분석했다.

엘크로스 충돌 실험 결과는 충돌 전 두 개의 연구팀이 시뮬레이션으로 예측한 결과 중에서 최저값에 가깝게 나타났다. 따라서 센타우르의 충돌섬광은 엘크로스 위성 본체만 미약하게 관측됐고, 충돌시 발생할 것 같은 분출물이 지구에서는 전혀 관측되지 않았다.

왜 이런 결과를 얻었는지 이해하기 위해서는 달 정찰위성의 충돌 지점을 다시 살펴보고, 엘크로스 위성자료를 정밀하게 분석해야 한다. 무엇보다 달에 물이 존재하는지 여부를 밝히기 위해서는 위성과 지상 분광관측 자료를 분석해야 결론이 날 전망이다.

물은 사람에게 반드시 필요한 자원일 뿐 아니라 수소와 산소로 분해해 추진체의 재료로 사용될 수 있다. 만약 지구 밖에서 물을 공급받을 수 있다면 달에 상주기지를 건설하거나 달에서 위성을 발사하는 등의 활동을 할 때 막대한 비용을 줄일 수 있을 것이다. 따라서 달 뿐 아니라 화성이나 소행성, 혜성 등에서 물을 찾는 것은 우주를 향한 인류의 꿈을 현실화하는 구체적인 노력 중 하나라 할 수 있다.

글 : 최영준 한국천문연구원 우주과학연구부 [e-mail]

과학향기 출처 : KISTI의 과학향기