태양계를 돌파!! 우주공간으로 돌진하는!! 우주 탐사선 보이저 1, 2호(보이저 1,2호의 출발과 4가지 질문, 현재 위치, 발사에서 태양계 밖으로의 46년간의 탈출 여정, 창백하고 푸른 점 지구 사진 ..

태양계를 돌파!! 우주공간으로 돌진하는!! 우주 탐사선 보이저 1, 2호(보이저 1,2호의 출발과 4가지 질문, 현재 위치, 발사에서 태양계 밖으로의 46년간의 탈출 여정, 창백하고 푸른 점 지구 사진 촬영)

  시간과 공간을 뛰어넘어 미지의 차원을 알고 싶은 것은 피할 수 없는 인간의 소망이다. 개인적으로 이집트 피라미드를 목격하고 시간의 장벽을 넘어 수천 년 전 존재했던 인류의 위대함에게로 다가가는 경험을 한 일이 있었다. 

 

  이와는 다른 시점으로 상상하기에 너무나 벅찬 공간적 장벽을 넘어 우주의 무한한 자유를 느끼게 해주는 것이 있다. 그것은 지금 태양계를 넘어 40년 넘게 우주를 탐사를 하고 있는 보이저 1호와 2호를 생각할 때이다.

  보이저 1호와 2호는 인류가 만든 우주 탐사선 중에 가장 멀리 태양계 밖으로 나아가 있다. 상상만 했었던 천왕성과 해왕성의 실물을 최초로 인류에게 보여주었다. 

 

  지금 두 탐사선은 태양계 바깥 드넓은 우주 공간을 향해 엄청난 속도로 여행을 하면서 미지의 지식을 전해줌으로 무한한 상상의 나래를 열어준다. 40년 전에 있었던 인류의 작은 노력이 얼마나 무한한 자유로움을 주는지 보이저 탐사선의 지구 밖 여정을 살펴보는 것으로 정리해 본다. 

보이저1호,출처=구글

보이저2호,출처=구글

 

1. 보이저 1, 2호의 출발과 4가지 질문

  1) 왜 나중에 발사된 것이 보이저 1인가?

  두 대의 보이저 탐사선에 재한 자료를 보다 보면 가장 먼저 드는 의문이 먼저 발사된 것이 2호이고 나중에 발사된 것을 1호로 명명된 것이다. 실제로 1977년 8월 20일 보이저 2호가 먼저 발사되고 보름이 지난 9월 5일 보이저 1호가 발사되었다. 그래서 나중에 발사된 것을 1호로 명명한 것이 이상하게 보인다.

 

  하지만 이것에는 보이저호의 목적이 담겨 있는 것이었다. 보이저 탐사선 이름은 지구에서 발사된 순서가 아니라 목성에 도착한 순서로 정해졌다. 이는 두 탐사선의 제1차 목적지가 목성이었기 때문이다. 

 

목성에 근접한 보이저1호 상상도, 출처=구글

  2) 왜 같은 목적지를 가진 2대의 탐사선을 발사했나?

  그러면 연이어지는 질문이 생긴다. 무엇 때문에 목적지가 동일한 두 대의 탐사선을 비슷한 시기에 발사했는가라는 질문이다. 이는 두 탐사선을 1차 목적지인 목성에 동일하게 보낸 후, 서로 다른 탐사 경로로 통해서 태양계의 다른 행성들과 태양계, 그리고 태양계를 구성하는 물질들을 탐사하기 위한 것이었다고 한다. 

 

보이저1,2호의 궤도

  보이저 1호는 목성과 토성을 거친 후 태양계 밖으로, 보이저 2호는 목성과 토성, 천왕성, 해왕성을 탐사하고 태양계 밖으로 나가는 궤도로 계획되었다. 이러한 경로를 따라 보이저 1호와 2호는 태양계의 행성들을 탐사하고 46년이  지난 현재에는 태양계 바깥 세계로 나가서 임무를 수행 중이다. 

  3) 왜 보이저 탐사선은 아폴로 우주선처럼 착륙하지 않고 지나가기만 하나?

  우주선 하면 가장 많이 생각나는 것이 달에 착륙했던 아폴로 11호이다. 이것을 생각하면 보이저 탐사선은 별에 착륙하지 않고 그냥 지나간다는 점에 의문이 생긴다. 별에 착륙해서 관찰을 하고 조사를 하는 것이 더 좋은 방법이 아닐까라는 생각이 들기 때문이다. 

  보이저 프로그램, 즉 보이저 계획은 1962년부터 미국이 이미 실시하고 있었던 매리너 계획에서 연계된 프로그램이었다. 매리너 계획으로 미국은 수성, 금성과 화성의 탐사를 실패를 반복하다가, 결국 세 행성 연구에 모두 성공했다.

  하지만 매리너 계획의 탐사는 행성 표면에 착륙해서 어떤 임무를 수행하는 것이 아니라, 최대한 가까이 접근해서 사진을 찍는 것이 주된 임무 수행 방식이었다. 매리너 계획은 10호까지 발사되었고, 그 후 11호부터 탐사하려는 행성을 늘리며 이름이 바뀌어 보이저 프로그램으로 시작하게 된 것이다.

  4) 보이저호의 추진력은 어떻게 40년 넘게 작동하는가?

  그러면 생기는 또 다른 의문이 있다. 어떻게 해서 보이저는 40년 넘게 작동할 수 있었느냐는 질문이다. 우주를 날아가려면 당연히 엄청난 추진력이 필요할 텐데 어떻게 40년 넘게 멈추지 않고 우주를 날아갈 수 있는지 궁금해지는 것이 사실이다.

 

  이 질문 안에는 보이저호에게 숨겨진 “스윙-바이 항법”(Swing-by)이라는 놀라운 과학적 발견이 있다. 매리너 계획이 획기적이었던 것은 지금까지도 전 세계가 이용하는 행성 간 항법기술인 스윙-바이 항법을 적용했다는 점이다.

 

  이 항법은 우주선이 적은 동력으로 먼 거리를 항행하기 위하여, 다른 자연 천체의 중력을 이용하는 가속 방법이다. 이 기법을 사용해서 우주선은 가속과 감속은 물론, 방향을 전환할 수도 있다. ‘중력 도움’이나 ‘중력 어시스트’, '중력 슬링샷', ‘플라이바이(fly-by)’ 등으로도 불린다. 이른바 중력 돌팔매질이다.  

  태양계의 행성들은 모두 태양을 중심으로 공전을 한다. 행성들의 공전은 태양이 행성들을 잡아당기는 중력으로 유지되는 것이다. 이와 마찬가지로 각 행성들도 자기만의 중력을 가지고 있어 행성에 접근하는 물체를 잡아 공전하도록 할 수 있다.

 

  그렇다면 우주선을 어떤 행성에 근접시키면, 그 우주선은 행성과 가까워질수록 중력에 의해 속도가 점점 빨라지다가 어느 한 지점에서 최고속도를 얻을 수 있다. 이 최고 속도를 얻을 수 있는 지점을 이용하면 우주선은 자체 추진력 이상의 추진력을 얻어 다른 행성으로 돌진할 수 있다.

 

  공전을 하고 있는 행성의 궤도를 잘 파악해서 추진력이 가장 빨라지는 시점을 지나자마자 궤도를 수정하면 가속력에 의해 우주선은 최소의 에너지로 최상의 추진력을 얻어 원하는 곳으로 이동할 수 있다. 이것이 보이저 탐사선이 이용한 스윙-바이 항법이다. 

  
  그래서 보이저 탐사선은 직선으로 우주를 날아 목성이나 토성으로 간 것이 아니라 위 그림이 보여주듯이 지구를 한 바퀴 돌아 목성으로 갔고, 목성을 돌아 공전하다가 가속력을 받아 토성으로, 토성에서 다시 스윙 바이로 태양계를 벗어나는 40년 넘는 항해를 할 수 있었던 것이다.  

  5) 현재 보이저 1,2호의 위치

  나사 JPL 웹사이트에 가면 실시간으로 보이저 탐사선이 현재 얼마나 멀리 가고 있는지 확인할 수 있다.

 

보이저 1,2호 현재 여행거리(2023.5.5. 오후 10:50 현재)

 

  보이저 1호는 현재 태양에서 약 239억 km 떨어져 있고, 2호는 약 200억 km 떨어진 상태이다. 태양에서 지구까지의 거리인 1억 5천만 km를 천문단위로 1AU라고 한다. 

 

  보이저 1호는 현재 159.8AU, 2호는 133.2AU까지 여행을 하고 있다. 이를 태양 빛의 속도로 설명하면 보이저 1호는 태양에서부터 빛의 속도로 약 22시간 걸리는 거리까지 이동한 것이고 보이저 2호는 18시간 30분 정도 걸리는 거리까지 나아간 상태이다. 그래서 탐사선에서 지구까지 통신 신호를 보내면 지구가 그 신호를 포착하는 데에 하루 가까이 걸린다고 한다.

  보이저 1호는 현재 속도가 시속 61,200km로, 보이저 2호는 시속 55,350km로, 태양으로부터 계속 멀어지면서 그들의 임무를 수행하고 있다. 이 속도는 1분 만에 제주도에서 백두산까지 주파하는 엄청나게 빠른 속도이다.

2. 보이저 1,2호의 발사에서 태양계 밖으로의 46년간의 탈출 여정

  1) 발사와 소행성대 탈출 : 여정의 시작 

  1977년 8월 20일 보이저 2호가 발사되고(아래 우측 사진), 9월 5일 보이저 1호 발사(아래 좌측 사진) 되었다. 

보이저 1호(좌측)와 보이저 2호(우측) 발사 장면

 

  1977년 12월 10일 보이저 1호와 2호는 같은 날에 화성과 목성궤도 사이에 위치한 소행성대를 진입한다. 그리고 12월 19일 보이저 1호가 2호를 추월한다. 1978년 9월 8일 보이저 1호가 소행성대를 빠져나오고, 10월 21일에 보이저 2호도 뒤를 이어 소행성대를 탈출한다.

  2) 목성 도착과 탐사

  1979년 1월은 보이저 1호가 제1차 목적지인 목성에 접근하여 목성의 사진을 지구에 보내준 역사적인 순간이다. 이 사진을 보고 지구인들은 우주에 대한 경외심에 빠질 정도였다. 이때 보이저 1호가 목성에 접근하면서 보낸 연속적으로 촬영한 사진들이 아래와 같다.

보이저 1호가 찍은 목성

  아래 사진은 지금 보아도 놀라운 목성의 모습을 담고 있는 것으로 3월 5일 보이저 1호가 목성에 가장 가까이 접근하여 남긴 사진이다. 가운데 오른쪽에 목성에서 가장 큰 대적점(Great Red Spot, 아마도 지오반니 카시니가 355년 전 처음 기록한 이후로 알려지게 된)이 보인다. 이것은 후에 소용돌이치고 있는 거대한 태풍으로 분석되었다.

 

  왼쪽 아래에 있는 점은 목성의 가장 큰 위성 유로파이고, 오른쪽 위에 있는 검은 점은 목성의 또 다른 위성인 이오의 그림자라고 한다. 

 

보이저1호에서 바라본 유로파와 목성

  약 40일 동안 보이저 1호는 목성 주변을 지나가며 탐사하다 4월 13일부로 목성 탐사를 마치고 다음 행성인 토성으로 향했다. 12일이 지난 4월 25일 보이저 2호가 목성 가시권에 도달한다. 이후로 약 한 달 동안 보이저 2호는 목성 주변을 지나며 탐사하다 8월 5일부 다음 행성인 토성으로 향했다. 

  3) 토성 도착과 탐사

  8월 22일 보이저 1호가 토성의 가시권에 도달해서 토성의 고리에 대한 자료와 토성과 타이탄의 대기에 대한 자료를 보내왔다. 아래 사진은 토성에서 530만 km 떨어진 곳에서 촬영한 사진으로 토성의 고리 모습을 아주 잘 보여주는 사진으로 유명하다.

 

  약 한 달 동안 보이저 1호는 토성 주변을 지나며 탐사를 했고, 12월 14일 토성탐사를 마치고 태양계 바깥 공간으로 발길을 옮겼다.

 

1980년 보이저 1호가 찍은 토성 근접 사진

 

 1981년 6월 보이저 2호가 토성의 가시권에 도달했다. 약 한 달 동안 보이저 2호도 토성 주변을 지나며 탐사를  했고 9월 25일 토성탐사를 마치고 다음 행성인 천왕성으로 향했다.

  4) 천왕성, 해왕성 탐사

  보이저 탐사선이 천왕성으로 향하는 과정은 4년이라는 무척이나 오랜 시간이 걸리는 여정이었다. 이 여정 중에는 여러 가지 사고도 있었다고 한다.

 

  그중 가장 문제가 되었던 것이 보이저 2호의 카메라가 작동되지 않는 사건이었다. 카메라가 작동되지 않으면 보이저 2호를 통해 확인할 수 있는 천왕성의 모습들을 볼 수 없기 때문에 대단히 중대한 문제였다.

 

  나사는 다행히도 원인을 찾아서 카메라를 정상 작동시키는 것에 성공했고, 드디어 인류가 그동안 상상만 해왔던 천왕성과 해왕성의 실제 모습을 볼 수 있게 되었다. 현재까지 천왕성과 해왕성을 방문한 지구의 탐사선은 보이저 2호가 유일하다. 

보이저2호가 근접비행하며 촬영한 천왕성, NASA/JPL-Caltech 제공

 

  보이저 2호는 토성을 떠난 후 약 4년이 지난 1985년 11월 천왕성이 보이는 위치까지 도달했다. 이후로 약 한 달 동안 보이저 2호는 천왕성 주변을 지나며 탐사를 했고 2월 25일 천왕성 탐사를 마치고 다음 행성인 해왕성으로 향했다. 

 

보이저2호가 근접비행하며 촬영한 해왕성, NASA/JPL-Caltech제공

 

  3년 이상 걸린 1989년 6월 드디어 보이저 2호는 해왕성이 보이는 곳까지 도달하게 된다. 이후로 약 한 달 동안 보이저 2호는 해왕성 주변을 지나며 탐사를 이어갔고 10월 2일 해왕성 탐사를 마치고 태양계 바깥세상으로 나아갔다.

  5) 태양계 밖에서 창백하고 푸른 점 지구 사진을 찍다

  그 후 약 4개월인 1990년 2월 보이저 1호는 명왕성 근처를 지나고 있었다. 이때 프로젝트를 함께한 유명한 천문학자 칼세이건이 기발한 제안을 했다. 그의 제안은 보이저 1호의 카메라를 지구 방향 쪽으로 돌려서 우리가 사는 지구를 태양계의 가장자리에서, 이제까지 찍은 지구 사진 중 가장 먼 거리에서 촬영하자는 것이었다.

 

  이에 과학자들의 의견은 반대와 찬성이 극명하게 갈렸다고 한다. 그 이유는 보이저 1호의 카메라를 돌렸다가 태양광선 때문에 렌즈가 손상될 수 있었기 때문이다. 그러나 당시 나사의 국장은 이 제안을 받아들였고, 오늘날 보이저 1호가 찍은 사전 중에서 가장 유명하고 가장 감동적인 사진인 “창백한 푸른 점”(Pale Blue Dot)이라는 사진을 남겨지게 되었다. 

 

Image of Pale Blue Dot (original version). Source=NASA

  “창백한 푸른 점”은 1990년 2월 14일에 촬영된 사진이다. 보이저 1호가 찍은 아주 조그맣고도 창백한 푸른 점(pale blue dot)인 지구에 대해 감동을 받은 칼 세이건은 이렇게 얘기했다.

  “Look again at that dot. That's here. That's home. That's us. On it everyone you love, everyone you know, everyone you ever heard of, every human being who ever was, lived out their lives. The aggregate of our joy and suffering, thousands of confident religions, ideologies, and economic doctrines, every hunter and forager, every hero and coward, every creator and destroyer of civilization, every king and peasant, every young couple in love, every mother and father, hopeful child, inventor and explorer, every teacher of morals, every corrupt politician, every "superstar" every "supreme leader" every saint and sinner in the history of our species lived there  - on a mote of dust suspended in a sunbeam.”
  "저 점을 다시 보자. 여기 있다. 저것이 우리의 고향이다. 저것이 우리다. 우리가 사랑하는 모든 이들, 우리가 알고 있는 모든 사람들, 당신이 들어봤을 모든 사람들, 존재했던 모든 사람들이 그곳에서 삶을 영위했다. 우리의 기쁨과 고통이 총합, 확신에 찬 수많은 종교, 이데올로기들, 경제적 독트린들, 모든 사냥꾼과 약탈자, 모든 영웅과 비겁자, 문명의 창조자와 파괴자, 왕과 농부, 사랑에 빠진 젊은 연인들, 모든 아버지와 어머니, 희망에 찬 아이들, 발명가와 탐험가, 모든 도덕의 교사들, 모든 타락한 정치인들, 모든 슈퍼스타, 모든 최고의 지도자들, 인간 역사 속의 모든 성인과 죄인들이 저기 - 태양 빛 속에 부유하는 먼지의 티끌 위 - 에서 살았던 것이다." 

  이 사진을 촬영하고 8년 후인 1998년 2월 17일 보이저 1호는 이미 태양계 밖에 나가 있던 파이어니어 10호 탐사선을 추월해서 공식적으로 가장 먼 우주(69.419au)까지 나아간 탐사선이 된다.

  6) 태양계 밖으로 탈출 : 말단충격과 태양권계면 통과 

 

  2004년 12월 17일 94au에서 보이저 1호는 “말단 충격”을 통과한다. “말단 충격”이란 태양에서 강하게 불어 나오는 태양풍이 우주가스나 먼지 등으로 이루어진 성감매질과 서로 충돌하면서 태양풍의 속도가 느려지는 지점이다. 보이저 1호가 말단 충격 지점에 이르렀다는 것은 이제부터 태양계의 영향으로부터 벗어난다는 의미를 가진 것이다.  그로부터 3년 후인 2007년 12월 10일 보이저 2호도 말단 충격을 통과한다. 

 

보이저 1호의 현재 위치

 

  2010년에 보이저 1호는 태양풍의 영향력이 거의 없어지는 구간까지 도달했고 2012년 8월 보이저 1호는 “태양광 계면”을 통과해서 태양풍이 전혀 불어오지 않는 영역에 도달했다. 즉 태양계를 완전히 벗어나 인류가 꿈과 만화, 영화에서 그려왔던 우주(성간우주)에 돌입한 것이다. 그때부터 지금까지 두 보이저 탐사선은 태양계 밖을 항해하면서 우주가스나 먼지 등의 성관매질에 대한 자료들을 지구로 보내고 있는 중이다.
  과학자들은 아마도 2025년 이후에는 두 탐사선의 전력이 부족해서 탑재된 탐사 장비들은 작동을 멈추게 될 것이고 결국 지구와 교신을 더 이상 하지 못할 것으로 추정하고 있다. 그래도 두 보이저 탐사선은 끝을 알 수 없는 항해를 계속해서 계속해서 이어나갈 것이다. 바람이 있다면 장비들이 보다 오래 작동해서 미지의 우주에 대한 지식이  조금이라도 많이 인류에게 밝혀지기를 바랄 뿐이다.