목성 37바퀴 돌며 구름층에 가린 내부구조 탐사 -‘주노’

5년 우주항해 마치고 7월4일 목성 궤도진입


2017년 10월16일 최후비행까지 1년반 탐사 활동

태양계 최대 행성의 기원, 내부, 대기구성 등 관측

00jupiter_juno.jpg » 목성과 탐사선 주노를 그린 상상도. 출처/ NASA

 

5년 동안의 기나긴 우주 항해를 마치고서 미국 항공우주국(NASA)의 목성 탐사선 ‘주노(Juno)’가 마침내 7월4일 종착지인 목성 근처에 도착한다. 이날 주노는 목성의 둘레를 도는 궤도에 진입하는 중요한 임무를 수행하며, 궤도 진입 이후에는 1년 반 동안 태양계에서 가장 큰 행성인 목성의 내부 구조와 대기 성분에 관한 관측과 탐사 활동을 벌일 예정이다. 주노가 지구에 보내올 관측 자료들은 태양계와 행성 연구에 중요하게 쓰일 것으로 기대된다.




목성 둘레 37바퀴 타원궤도로 돌며 과학 탐사 임무 수행

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00jupiter_juno2.jpg » 목성탐사선 주노의 크기. 농구장과 비교. 탐사선 본체의 높이와 지름은 3.5미터이며, 태양전지판의 길이는 각각 9미터(너비 2.65미터)이다. 무게는 연료 등을 포함해 총 3.6톤가량이다. 출처/ NASA 미국 항공우주국의 두툼한 보도자료 책자(프레스 킷)를 보면, 주노는 7월 4일에 35분 동안 주엔진을 점화하며 목성 둘레 궤도에 진입하면서 목성 탐사 임무를 시작한다. 이후에 주노는 대략 14일에 한번씩 목성 둘레를 긴 타원형 궤도로 비행할 예정인데, 모두 합해 37바퀴를 돌고서 2017년 10월 16일 임무를 마치게 된다. 임무를 마친 주노는 목성을 향해 비행하며 산화해 임무를 마친다.


00jupiter_orbit.jpg » 탐사선 주노는 목성에 가깝게 접근했다가 다시 멀어지는 긴 타원궤도에서 목성 탐사 활동을 한다. 출처/ NASA 과학 탐사 임무를 수행하는 동안에, 주노는 매우 큰 폭의 타원형 궤도를 돌며 비행한다. 목성에 가장 가까운 궤도 지점을 지날 때에는 목성 상공 4300킬로미터 정도로 가까운 궤도를 지난다. 주노가 비행하는 37바퀴의 궤도 운동 가운데 과학 탐사 활동은 4번째부터 35번째 궤도 운동까지 수행하며 마지막 37번째 바퀴를 돌 때에 궤도에서 벗어나 목성 내부를 향해 날아가 최후를 맞이한다.


주노가 목성 둘레를 돌며 수행할 과학 관측 탐사 동안에는 주노에 탑재된 다음과 같은 과학 장비들이 쓰인다.


▒ 목성의 중력장과 자기장 지도를 그려, 그 행성 내부의 깊은 구조를 탐사하는 중력과 자기장 관측 장비

▒ 목성 안쪽의 대기를 탐사하고 물 성분이 대기에 얼마나 많은지를 탐사하는 마이크로파 관측 장비

▒ 목성의 자기장이 대기, 특히 오로라와 어떻게 연계되어 있는지를 규명하기 위해, 목성 주변의 전기장, 플라즈마 파동, 입자와 관련한 데이터를 수집하는 장비

▒ 대기와 오로라의 영상을 포착하고 가스 층의 화학 성분을 관측하는 자외선, 적외선 카메라 징비

▒ 목성의 영상을 포착하는 영상 관측 장비, 주노캠(JunoCam)


00jupiter2.jpg » 목성의 영상. 긴 띠와 거대한 붉은 점(great red spot)이 목성을 상징하는 중요한 특징이다. 출처/ NASA

 

거대행성 대기 안쪽 깊숙한 구조 탐사..코어는 어떤 모습일까

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목성은 태양계에서 가장 큰 행성이다. 태양이 갓 태어날 당시에 태양 둘레 있던 가스층들이 뭉치면서 형성된 목성은 주로 수소와 헬륨으로 이뤄져 있다고 알려져 있다. 그동안 관측 장비에 포착된 목성의 모습에서는 거대하고 긴 띠와 거대 붉은 점이 목성을 대표하는 상징적인 이미지로 여겨져 왔다.


00jupiter4.jpg » 과학자들은 목성의 내부가 몇 개 층으로 구성되어 있다고 여기고 있다. 표면 부근에는 주로 수소 분자로 이루어진 층이 놓여 있으며 그 아래에는 높은 밀도로 압축된 액체 성질의 금속성 수소(metallic hydrogen) 층이 있다는 것이다. 목성의 가운데에는 매우 높은 압력이 가해져 고체 성질의 중심부가 있을 것으로 여겨진다. 목성 내부 구조가 어떠한지를 관측하는 일은 목성 탐사 활동에서 중요한 임무 중 하나이다. 출처/ NASA


주노는 마이크로파를 이용해 행성 대기 안쪽으로 수백 킬로미터까지 그 내부의 대기 구성을 관측할 예정이다. 이런 관측을 통해 목성 내부에서 일어나는 역동적인 대기 흐름을 포착할 수 있을 것으로 기대된다. 궁극적으로는 목성의 가장 안쪽에 있을 중심부(코어)에 관한 관측 데이터를 얻고자 하는 게 주노의 탐사 목적 중 하나이다.


“주노가 목성 행성 대기를 깊게, 더 깊게 탐사할 수 있게 되면서, 연구자들은 압력 증가로 압축돼 액체가 된 수소 층에 관한 정보를 얻을 수 있기를 기대한다. 그 액체에는 전기가 통한다. 이런 전기가 목성의 거대 자기장에 동력을 제공한다. 훨씬 더 깊은 곳을 관측하면서 탐사선은 대부분 과학자들이 존재한다고 여기지만 지금까지 전혀 실측된 적이 없는, 더 무거운 원소들의 조밀한 덩어리인 행성 중심(core)의 증거를 찾고자 할 것이다. 주노는 목성 코어가 존재하는지를 밝히고자 하는 탐사선에 목성의 중력이 어떻게 작용하는지를 정밀하게 측정하고자 한다.” (네이처 뉴스에서)


나사는 언론보도용으로 온라인에 공개한 ‘프레스 킷’ 자료에서, 주노의 탐사 임무와 의미를 다음과 같이 요약했다.


“나사의 탐사선 주노가 수행하는 임무의 주요한 목표는 목성의 기원과 진화를 이해하는 것이다. 그 짙은 구름 층이 덮힌 채로, 목성은 행성이 만들어지는 동안에 우리 태양계를 지배했던 기본적인 생성과정과 조건들에 관한 비밀을 간직하고 있다. 거대 행성의 주요한 본보기로서, 목성은 다른 항성들 주변에서 발견되는 행성계를 이해하는 데에도 중요한 지식을 제공할 수 있을 것이다.
 과학 관측 장비들을 갖추고서, 주노는 고체 성질일 것으로 여겨지는 행성 중심(core)의 존재를 탐사하고, 목성의 강한 자기장의 지도를 그리고, 더 깊은 대기층에 있는 물과 암모니아 성분의 양을 측정하고, 또한 행성의 오로라를 관찰할 것이다.
 주노 덕분에 우리는 거대 행성들이 어떻게 생성하는지, 이런 거대 행성들이 태양계의 나머지들을 한데 모으는 데에 어떠한 역할을 했는지를 이해하는 데에 큰 발걸음을 내딛을 수 있을 것이다.” (보도자료 책자, 53쪽)


00jupiter1.jpg » 주노 탐사선이 실제 관측하기 이전인 현재까지 파악된 목성의 내부 구조(왼쪽)와 목성의 극지에서 본 자기권. 출처/ NASA

 

나사 쪽은 이번 탐사의 목적이 목성의 기원, 내부, 대기 등을 규명하는 것이라며 다음과 같이 밝혔다.


기원: 물 성분의 얼마나 되는지 규명하고 고체일 것으로 여겨지는 목성 중심(cor) 규모의 상부한계를 찾아, 행성 기원에 관한 기존 이론 중 어떤 것이 맞는지를 판단하는 것

내부: 중력장과 자기장 지도를 그려, 목성 내부 구조를 이해하고 물질이 행성의 깊은 내부에서 어떻게 이동하는지를 이해하는 것

대기: 모든 위도에서 100바(bar) 기압보다 더 큰 곳의 깊이까지 이어지는, 대기구성, 온도, 구름량의 변화를 지도로 그리는 것

자기권(magnetosphere): 목성 극지의 자기권과 오로라의 3차원 구조에서 그 특징을 밝히고 탐사하는 것 (보도자료 책자, 57쪽)


탐사전 ‘주노(Juno)’의 이름은 로마 신화에 나오는 신이자 목성을 뜻하는 주피터(그리스 신화의 제우스)의 아내인 주노(헤라)에서 따온 것이다. 주노는 2011년 태양계에서 가장 큰 행성인 목성을 탐사하기 위해 미국 플로리다의 한 공군기지에서 발사됐으며 5년 동안 28억 킬로미터의 비행거리(태양~목성 직선거리는 평균 7억7833만 킬로미터)를 날아가 목성에 접근할 예정이다. 7월 4일 목성에 가장 가깝게 접근하면서 궤도에 들어갈 주노가 보내올 첫 번째의 멋진 목성 영상이 어떠한 것일지 벌써부터 많은 이들이 기다리고 있다.


오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr 

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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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