42년 날아간 보이저2호 "태양계 끝은 탄환처럼 생겼다"

입력 2019.11.06 03:09

[오늘의 세상]

NASA, 작년 11월 태양계 벗어난 보이저2호가 보낸 자료 공개
우주입자 변화로 태양계이탈 확인… 지구서 182억㎞ '성간우주' 비행중

보이저 2호 그래픽
40년 넘게 우주를 비행하던 미국의 심우주(深宇宙·달 너머의 우주) 탐사선 '보이저 2호'가 태양계를 벗어나면서 보낸 자료가 처음으로 공개됐다. 보이저 2호는 1977년 8월 20일 발사돼 태양계 행성들을 거쳐 지난해 11월 5일 태양계 바깥의 성간우주(星間宇宙)인 인터스텔라(interstellar)에 진입했다.

미 항공우주국(NASA) 과학자들은 5일 국제학술지 '네이처 천문학'에 지난해부터 보이저 2호가 보내온 자료를 분석한 연구논문 5편을 발표했다. 과학자들의 예상대로 태양계 끝에는 태양에서 오는 입자가 줄어들고 다른 별에서 온 다른 입자가 늘어났다.

태양은 사방으로 전기를 띤 입자를 뿜어내고 있다. 이 모습이 마치 태양에서 바람이 불어오는 것과 같다고 해서 태양풍으로도 불린다. 이 태양풍이 미치는 곳이 태양권(heliosphere)이며, 그 끝에서 성간우주와 맞닿아 있는 곳이 태양권 계면(heliopause)이다. NASA 과학자들은 "보이저 2호가 관측한 태양계의 끝은 좁은 타원형으로 뭉툭한 탄환과 같은 모습"이라고 밝혔다.

◇우주 입자 변화로 태양계 이탈 확인

태양계 끝의 자세한 모습은 이번에 처음 확인됐다. 쌍둥이 탐사선인 보이저 1호는 보이저 2호보다 늦은 1977년 9월 5일 발사됐지만, 성간우주에는 2012년 8월 먼저 진입했다. 먼저 발사된 2호는 천왕성과 해왕성을 탐사하느라 1호보다 6년 늦게 성간우주로 들어섰다. 보이저 1호의 경우 측정 장비가 고장 나는 바람에 이번 보이저 2호가 보내온 것과 같은 정확한 모습을 관측하지 못했다.

NASA 과학자들은 보이저 2호가 태양계를 벗어난 사실을 보이저 2호 주변의 플라스마 성질의 변화를 통해 알아냈다. 플라스마는 태양 표면처럼 엄청나게 온도가 높을 때 원자에서 전자가 떨어져 나간 상태를 말한다. 태양권의 플라스마는 온도가 높고 밀도가 낮지만 성간우주는 온도가 낮고 플라스마 밀도가 높다고 알려져 있었다. 보이저 2호가 태양권을 벗어나면서 예상대로 플라스마의 성질이 달라졌다고 NASA는 밝혔다.

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태양권의 모양을 보여주는 그림. 태양권 밖 성간(星間)에서 날아오는 입자가 한쪽으로 불어 오면서, 태양에서 나온 플라스마도 그림처럼 한쪽으로 흐르는 모양으로 나타난다. 심우주 탐사선 보이저 1호와 2호는 각각 2012년 8월, 2018년 11월 태양풍이 미치는 태양권을 벗어나 성간 우주에 들어섰다. /NASA

태양권 계면이 11년 주기로 허파처럼 늘어났다가 줄어들 것으로 예상했는데 이 역시 보이저 2호를 통해 입증됐다. 2012년 보이저 1호가 태양권 계면에 닿을 때 거리가 122.6AU(1AU는 태양과 지구 간 거리인 약 1억4900만㎞)였는데 보이저 2호는 119.7AU에서 태양권 계면에 도달한 것으로 확인됐다. 보이저 1호가 태양계를 벗어날 때는 태양 활동의 극대기였고 보이저 2호는 태양 활동이 최저점에 가까울 때 태양권 계면을 넘어섰기 때문이다.

보이저 1·2호는 시간 차를 두고 나란히 목성, 토성을 지나간 이후 서로 갈라져 다른 방향으로 진행했다. 1호는 토성을 거쳐 태양계 밖으로 향했고, 2호는 천왕성과 해왕성까지 탐사한 뒤 태양계 밖을 향했다.

이번에 보이저 2호가 보내온 자료를 통해 두 탐사선의 위치를 확인해 태양권이 대칭적인 모습이라는 사실도 확인됐다. 캘리포니아공대의 물리학 교수이자 보이저 프로젝트 책임자인 에드워드 스톤 박사는 "보이저 2호는 태양이 우리은하의 성간우주를 채우고 있는 물질들과 어떻게 상호 작용하는지를 보여줬다"면서 "보이저 2호가 보내온 새로운 자료가 없었다면 보이저 1호를 통해 본 것이 특정 부분이나 시간대의 현상인지 태양권 전체의 현상인지를 알지 못했을 것"이라고 했다.

◇우주인에 전하는 한국어 인사말도 담아

보이저 1호도 과학 발전에 공을 세웠다. 1979년 보이저 1호는 당시만 해도 미지의 행성이었던 목성의 대적점(大赤點·거대 폭풍)과 대기를 처음으로 촬영했다. 이듬해에는 토성에서 12만㎞ 떨어진 지점에 접근해 토성의 고리가 1000개 이상의 띠로 이뤄졌고 고리 사이에는 큰 틈이 있다는 사실도 밝혀냈다.

보이저 탐사선은 원래 목성과 토성을 탐사하는 4년 프로젝트로 시작했지만 1989년 성간우주 탐사로 목표가 바뀌어 42년째 탐사 활동을 이어가고 있다. 보이저 탐사선은 당시 최신 기술이던 스윙바이(swing by·중력 도움) 항법을 사용해 동력을 크게 절감했다. 행성 가까이 가서 액체연료로 작동하는 추력기를 끄고 중력이 당기는 대로 가속이 붙어 이동하다가 방향을 틀 때만 추력기를 작동해온 것이다. 마치 태양계의 여러 행성을 징검다리처럼 이용하는 것이다. 보이저는 이 기법을 이용해 목성 중력에서 추가 연료 소모 없이 시속 6만㎞의 속도 증가 효과를 얻었다. 보이저에는 우리말도 실려 있다. NASA는 천문학자 칼 세이건의 제안으로 우주에서 조우하게 될 외계 생명체에게 지구와 인류를 알리기 위해 각종 그림과 클래식 음악, 한국어를 포함한 55개 언어로 된 인사말 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 반이 걸리는 먼 곳이다. 비행 속도는 시속 5만5000㎞에 이른다. 두 탐사선은 모두 방사성 물질인 플루토늄이 내는 열을 전기로 바꿔 쓰고 있다. 보이저는 5년이 지나면 동력이 떨어져 더 이상 지구로 자료를 보내지 못할 것으로 보인다. 보이저 외에 태양계를 벗어난 탐사선이 없어 동력이 허용하는 대로 관측 자료를 전송받을 계획이다.



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