저 멀리,
화성, 폭풍의 목성, 토성의 고리를 지나면
세상은 달라집니다.
기온은 급락하고, 행성간의 거리는 수백만 킬로미터에서 수십억 킬로미터로 멀어집니다.
여기에 천왕성(Uranus)이 있습니다.
그리고 태양계의 마지막 행성 해왕성(Neptune)입니다.
여지껏, 우리는 이 행성을 생명이 존재하지 않는 완전히 얼어붙은 곳으로 생각했습니다.
우리는 참으로 무지했습니다.
수성, 금성, 화성, 목성 그리고 토성을 넘어서면 여행에 걸리는 시간은 수개월, 수 년, 수십년 심지어는 그 이상입니다.
태양계의 행성들은 서로 다른 속도로 태양의 주위를 공전합니다. 그리고 175년에 한 번씩 놀라운 일이 벌어집니다. 외행성들의 궤도들이 일직선으로 배열되는 것이죠.
보이저 2호는 바로 그 일직선으로 배열되는 순간에 발사됩니다.
2년이 조금 안되서 보이저는 목성에 도착합니다. 다른 모든 태양계의 행성을 합친 무게의 2.5배에 달하는 목성의 중력을 이용해서 보이저는 가속을 합니다.
또 다시 2년이 지나 보이저는 태양계의 가장 아름다운 별에 도착합니다. 얼음 고리를 가진 가스 거인인 토성입니다.
그리고 계속해서 암흑 속으로 나아갑니다.
지구를 떠난지 거의 9년이 지나서 완전히 새로운 행성에 도달합니다.
목성과 토성처럼 이 행성의 상층부 대기는 수소, 헬륨 기체로 대부분 이루어진 소용돌이들로 구성되어 있습니다.
그리고 가려진 그 아래로는 이국적인 모습의 메탄, 암모니아 그리고 물의 혼합체로 이루어진 얼음으로 덮여 있습니다.
다른 가스 거인과는 달리 천왕성은 거의 아무런 특징도 없습니다. 보이저 2호가 관찰하는 동안 겨우 10개의 구름이 형성되는 것만을 볼 수 있었습니다.
그 이유는 곧 밝혀졌습니다. 천왕성은 영하 224도의 태양계에서 가장 추운 행성이었습니다.
영원히 얼어붙어 있는 얼음 거인입니다.
보이저 2호는 단지 6시간동안 천왕성을 관찰할 수 있었습니다. 천왕성을 자세하게 들여다볼 수 있게 되자, 거기엔 토성과 같은 고리가 발견됩니다.
그 고리는 빛을 반사하지 않는 물질로 이루어져 있어서 너무 어둡고 희미했기 때문에 지구에선 볼 수가 없었습니다.
그래서, 1977년까지는 발견되지 않았습니다.
고리는 빛을 반사하지 않는 종류의 물질들로 이루어졌음이 분명했습니다. 토성의 고리와 같은 얼음은 아니었습니다.
고리는 극단적으로 작고 얇았는데, 그것 역시 수수께끼였습니다. 왜냐하면 고리를 이루는 입자들은 충돌의 연쇄작용 때문에 넓게 퍼지는 것이 일반적(토성에서 발견한 것처럼)일 거라고 생각되었기 때문이죠. 하지만 그렇지 않았습니다.
그렇다면 무언가가 이 고리들을 속박하고 있는 것임에 틀림없습니다. 그 해답은 보이저 2호가 보낸 이 사진에 있었습니다.
여기 엡실론 고리(epsilon ring)라 불리는 밝고 가는 고리를 볼 수 있습니다. 그리고 그 고리의 위와 아래에 2개의 달을 볼 수 있습니다. 내측의 달을 코델리아(Cordelia)라 하고, 외측의 달을 오펠리아(Ophelia)라고 부릅니다.
알아야 될 것은, 천왕성의 궤도에 가까운 달과 고리의 조각들은 먼 곳에 있는 것들보다 늦게 움직인다는 것입니다(참고 : :케플러 2법칙 응용).
엡실론 고리에 있는 조각끼리 충돌을 일으켜서 속도가 떨어진 조각이 속도가 느려지면서 천왕성 방향으로 떨어지게 되면, 코델리아는 이 조각을 가속해서 엡실론 고리로 돌아가게 합니다. 반대로 엡실론 고리의 외곽에 있는 조각이 가속되어 천왕성을 벗어나려고 하면, 오펠리아는 이 조각을 감속시켜서 다시 엡실론 링으로 돌아가가 합니다.
이러한 작용을 통해 이 2개의 달은 고리를 천왕성 궤도에서 아주 가늘고 좁은 지역으로 제한합니다.
그래서, 이 2개의 달을 양치기 달(shephard moon)이라고 부릅니다.
보이저 2호가 천왕성계에 머문 시간은 고작 몇 시간이었기 때문에, 이 2개의 달 이외에 다른 양치기 달들을 발견하진 못했습니다. 하지만, 천왕성 고리의 다른 부분도 이와 비슷하기 때문에 더 많은 양치기 달들이 천왕성 궤도에 있을 것이라 추정합니다.
아직 발견되지 않은 달들도 천왕성계의 신비한 일들 중 하나이지만, 천왕성이 태양을 도는 공전궤도 역시 특이합니다.
태양계 생성 초기에 모든 물질들은 모두 반시계 방향으로 궤도운동을 했습니다. 이 회전운동은 지금까지도 영향을 주고 있으며, 대부분의 행성들이 자전축에 대해 반시계 방향으로 회전운동을 합니다.
하지만 아직까지 정확히 밝혀지지 않은 이유로, 금성과 천왕성은 자전축에 대해 시계 방향으로 회전합니다.
천왕성은 금성보다 더 특이한데, 옆으로 누워있습니다(아래 사진에서 보면 직관적으로 알 수 있음. 천왕성의 자전축은 공전축 대비해서 90도에 가깝게 누워 있음. 참고로 지구는 23.5도 기울어 있음)
아직까지 왜 천왕성의 자전축이 이렇게 누워있는지는 확실치 않습니다.
예측하기론, 언젠가 다른 행성, 지구 혹은 그보다 더 큰 크기의, 과 충돌해서 옆으로 넘어진 것이 아닌가 생각됩니다.
컴퓨터 시뮬레이션로도 이와 같은 충돌로 천왕성의 옆으로 쓰러지면, 달들과 고리들도 현재와 같이 그 위치가 변화하는 결과를 보이고 있습니다.
태양계의 크기는 인간의 지각으로 상상하기가 불가능할 정도입니다. 하지만 척도를 줄이면 시각적으로 표현할 순 있습니다.
태양의 직경은 1백4십만 킬로미터입니다. 척도를 6억분의 1로 줄인다면, 아래 보이는 구조물의 크기 정도입니다.
그리고 지구와 화성의 크기는 이 손바닥 위에 조약돌의 크기 정도입니다.
이런 스케일에서 태양과 가장 가까운 행성 수성(Mercury)는 태양에서 이 정도의 거리가 될 것입니다. 6억분의 1척도에서 태양과 수성은 96미터 정도의 거리입니다. 그리고 그 직경은 1cm가 안됩니다.
그리고 금성(Venus)은 저쯤이겠군요.
태양에서 180미터 떨어진 금성을 지나면, 지구가 보입니다. 꽤 떨어져 있어 보입니다.
250미터 떨어진 거리에서 태양의 불빛이 반짝입니다. 지구의 크기는 직경 2cm의 조약돌 정도입니다.
대략 380미터 정도에서 화성을 지나, 암흑 속으로 들어가게 됩니다.
외행성계의 가장자리에 접근하면서 이제 거리와 다가오는 행성들의 크기는 증가합니다.
태양계에서 가장 큰 행성인 목성의 지름은 지구의 수십 배에 달합니다. 태양에서 항구를 지나 1.3km 거리에 목성이 보입니다.
태양과 목성간 거리의 거의 2배쯤에서 토성에 닿게 됩니다. 이 척도에서 거리는 2.4km 입니다.
이 정도 거리에서 태양빛은 우리가 이른 새벽 혹은 늦은 저녁에 보이는 것 정도의 밝기입니다. 이 정도에서도 토성과 그 고리는 매우 잘 보이는데, 그 이유는 반사율이 높기 때문입니다.
목성과 토성을 지나서 천왕성에 도착합니다. 30억 킬로미터를 여행한 보이저 덕분에 우리는 마침내 태양계의 끝인 명왕성에 도달하게 됩니다.
명왕성은 가스로 이루어진 7.5cm 직경의 크리로, 우리의 척도(6억분의 1)에서 태양으로부터 7.4km 떨어져 있습니다.
12년동안의 광막한 우주 여행 끝에 보이저2호는 해왕성에 도착했습니다.
지구 질량의 17배에 달하고, 천왕성보다도 무겁습니다.
자매별인 천왕성과 달리 해왕성의 대기활동은 매우 활발합니다.
해왕성의 기후는 극단적입니다. 높은 고도에서 메탄 가스로 이루어진 구름이 시속 2000km 이상의 속도로 휘몰아칩니다.
이것은 태양계에서 발견된 가장 높은 속도의 바람입니다.
보이저는 거대한 흑점(Dark spot)를 발견했고, 이는 목성에서 발견된 거대 적점(red spot)과 유사합니다.
지구와 비슷한 크기의 폭풍우인 이 흑점은, 4~5년동안 활동하고 사라졌습니다. 하지만 수년 동안 더 많은 폭풍들이 생성되는 것을 볼 수 있었습니다.
태양에서 가장 멀기에 태양에너지를 가장 적게 받는 이 행성에서, 태양계에서 가장 거대한 기상활동이 발견되는 것은 미스테리하 일입니다.
더욱이 보이저는 더 이상한 일을 발견합니다. 태양계의 최외각에 있는 이 별이 천왕성보다 더 따뜻합니다. 왜 그런지는 수수께끼입니다.
해왕성은 태양으로터 받는 열의 2.5배에 달하는 열을 발산합니다. 이 내부열의 존재가 거친 폭풍의 발생 이유를 설명해줍니다.
행성의 중심부에서 발생한 열은 행성 외부로 빠져나가면서 대기 전체를 휘젓게 됩니다. 그로 인해 다른 태양계에서는 볼 수 없는 거대한 바람을 만들게 됩니다.
바람이 그처럼 강하게 되는 이유는 다음처럼 추측됩니다. 단단한 지표면이 없는 해왕성에서는 액체는 밑으로 가라앉고, 기체는 상승하게 될 때, 그 흐름을 방해할 바위나 산과 같은 단단한 표면이 없기 때문에 유체의 흐름은 방해받지 않고 가속되어 초음속의 속도로 돌게 되는 걸로 생각됩니다.
보이저 2호는 태양계의 장대한 여행의 마지막에 다다르고 있습니다. 조만간 태양계를 떠나 성간(interstellar)으로 진입하게 됩니다.
그러기 전에 태양계의 마지막 세상에 도달합니다.
트리톤(Triton), 미끈한 질소의 얼음으로 뒤덮인 거대한 달. 이 달은 정지상태의 조용한 별로 여겨졌습니다.
하지만 보이저가 도착했을 때 다시 한 번 놀라움을 선사합니다.
보이저는 이 얼어붙은 동토에서 8킬로나 치솟는 간헐천들을 보게 됩니다. 이 분출은 암흑 물질들을 사방 100킬로 반경까지 퍼뜨립니다.
이 분출현상이 희미하긴 하지만 태양 아래에서 주로 발생한다는 점에서, 다음과 같은 설명이 그 핵심입니다.
태양빛에 의해 얇게 얼어붙은 질소층 아래 깊이 1미터 정도가 가열됩니다. 질소층 아래가 가열됩니다. 이를 통해 생기는 온도차는 단지 4도씨 정도이지만, 이 복사열을 통해 얼어붙은 질소가 기화되면서 가스를 만들게 됩니다. 이 압력은 얇은 지각을 뚫고 나오면서 간철천을 생성합니다.
하지만 여전히 설명되지 않는 것이 있습니다. 이 정도의 거친 지형은 더 강력한 힘의 작용이 필요합니다.
그리고 단서는 트리톤의 괴이한 궤도운동에 그 원인이 있습니다. 다른 태양계의 달과 달리 트리톤의 공전 방향은 해왕성의 자전 방향과 반대입니다. 이것은 트리톤과 해왕성이 같은 시기에 생성되지 않았을 가능성이 높다는 것을 말해줍니다.
즉, 트리톤은 해왕성계가 생기고 난 다음에 찾아온 방문자라는 것입니다. 보이저와 다른 점은 떠나지 않았다는 것이죠.
하나의 가정은 수십억 년 전에 트리톤은 달이 아니었다는 겁니다. 해왕성과 멀리 떨어진 곳에서 트리톤은 자라났던 걸로 보입니다. 바로 카이퍼 벨트입니다.
카이퍼벨트의 외곽에서 다 자란 트리톤은 해왕성의 중력에 의해 이끌려 갔고, 초기에는 타원궤도를 공전을 시작했습니다. 타원궤도의 운동을 통해 발생한 강력한 조석력이 트리톤의 표면에 작용하면서 강력한 지각변동을 야기했던 것으로 추정됩니다. 이 지각변동으로 인해 현재 우리가 보는 것과 같은 거친 트리톤의 지표면이 생성된 것으로 보입니다. 현재에 트리톤은 해왕성 주위를 원궤도로 공전합니다.
보이저는 임무를 완수했습니다. 보이저는 계속해서 태양계 밖의 암흑속으로 나아가 우리가 도달하지 못한 세상을 보여줄 것입니다.
앞으로의 탐험은 뉴 호라이즌의 성공에 달려 있습니다.
3미터가 되지 않는 탐침을 가지고 우주의 심연을 향하고 있는 뉴 호라이즌은 목표지점에 도달할 때까지 전기장치와 비행에 필수적이지 않은 시스템들은 에너지 절약을 위해 꺼져 있습니다.
48억 킬로미터의 비행 기간 내내 거의 동면 중입니다.
뉴 호라이즌이 명왕성(Pluto)으로의 여행을 진행하는 내내, 지구상에서는 명왕성에 대해 열띤 논쟁이 있었습니다.
카이퍼벨트(Kuiper belt)의 내부 가장자리에 위치한 명왕성은 너무나 멀기 때문에 허블 망원경으로도 흐릿하게 보입니다. 하지만 명왕성은 홀로 있는 것이 아니었습니다.
조금 떨어진 곳에서 무언가를 발견하기 시작했습니다.
허블 망원경이 명왕성과 크기가 비슷한 것들을 발견하기 시작했습니다.
이 발견을 통해 "행성(Planet)"이 무엇인가 하는 정의에 대해 다시 생각할 수 밖에 없게 되었습니다.
국제천문연맹(International Astronomical Union)은 행성에 대해 세가지의 정의를 내렸습니다.
첫째, 태양의 주위를 공전해야 한다. 명왕성은 태양 주위를 248년의 주기로 공전합니다.
둘째, 구의 형상을 할 수 있을만큼의 질량을 가져야 한다. 명왕성은 실제로 거의 구에 가깝습니다.
셋째, 행성의 태양 궤도를 깨끗이 할 수 있어야 한다. 즉, 질량 제약과 같은 개념으로 충분한 중력에 의해 그 행성의 태양 공전 궤도상 자신 외에 다른 천체를 밀어낼 만큼이 되어야 한다.
이 세번 째 조건에서 명왕성은 부합하지 않는다. 왜 이런 부가적인 정의가 생겼냐하면 플루토 근처에서 발견된 다른 천체들로 인해 명왕성을 행성에 범주에 넣으면, 수십, 수백(앞으로의 발견에 의해 수천, 수만이 될 지도)의 행성이 태양계에 추가되기 때문이다.
그러면 이런 것이 문제가 될까요? 내(이 프로의 호스트인 브라이언 콕스) 생각엔 그렇지 않습니다.
결국, 명왕성은 하나의 세계이고 우리는 그곳을 탐사해야 합니다.
2015년 7월 우리는 해냈습니다. 9년간의 잠에서 뉴 호라이즌은 깨어났습니다.
우리가 탐사한 이래 가장 멀리 있는 세계를 처음으로 보게 된 것입니다.
명왕성은 아름다웠습니다. 얼어붙은 특색없는 세상과는 거리가 멀었습니다. 역동적이며 살아있는 행성의 특징을 보여줬습니다.
표면은 섭씨 영하 230로 춥습니다. 표면은 고체질소로 이루어져있습니다. 허블 망원경에서 검은 반점으로 보였던 부분들은 아주 다양한 지리학적 형태와 구조를 갖고 있음이 밝혀졌습니다.
(이건 지구 사진임. 어디 아이슬란드 정도 되는 듯)
현재까지 가장 주목할만한 곳은 톰바 레지오(Tombaush Regio)라는 지역이며, 명왕성의 심장이라는 이름으로 불립니다.
이 지역의 서쪽 귓불처럼 생긴 지역을 스푸트니크 플라니시아(Sputnik Planitia)라고 합니다.
얼어붙은 질소, 메탄 그리고 일산화탄소의 거대한 평원은 수백만 평방 킬로미터나 펼쳐져 있습니다.
그리고 그 가장자리는 얼음으로 이루어진 높이 6킬로미터의 산맥이 가로막고 있습니다.
이 지역에는 매우 이상한 점이 있습니다. 이 난장이 행성의 다른 부분과는 확연히 구별되는 점이죠.
스푸트니크 플라니시아의 매끄러운 지역을 제외한, 명왕성의 표면은 우리의 달처럼 수십억 년 동안 일어났던 충돌들로 인해 크레이터와 흉터들로 덮여 있습니다.
스프트니크 플란시아에는 크레이터가 전혀 없습니다.
뉴 호라이즌이 보내온 이미지에 의하면 이 지역은 오각형 혹은 육각형 구조의 네트워크로 이루어져 있습니다.
질소가 얼어붙어 연결된 표면입니다. 이 모습으로부터 어떤 일이 일어났을까를 추정해봅니다.
이런 종류의 형태는 자연에서 종종 발견됩니다. 태양의 표면, 액체가 가열될 때.
이 형태는 대류(Convection)의 특징입니다. 가열에 의해 뜨거운 것은 떠오르고 차가운 부분은 가라앉는 대류현상이 일어날 때 이와 같은 형상이 만들어집니다.
스푸트니크 플란시아 아래에서는 열원이 있어서 그 열원에 의한 대류로 이와 같이 지속적으로 표면이 재생성되는 것으로 보입니다.
가장 적합한 가정은 이 별의 깊은 곳에 방사성 물질이 있어서 그 방사능 붕괴로 인해 열이 발생한다는 이론입니다. 이 열에 의해 태양에너지가 없는 이 차가운 명왕성의 바다에 수십억 년 전부터 물을 존재하게 했을 것입니다.
그렇다면 왜 이 지역만 이런 형태를 보이는 것일까요?
아마도 오래전에 이 지역에 거대한 충돌이 있었고, 그 충돌로 거대한 대양의 밑바닥까지 패였고, 그 구덩이가 질소 얼음으로 서서히 채워졌다고 보여집니다.
뉴 호라이즌의 명왕성의 근거리 접근은 고작 몇 시간 정도였습니다.
그 시간동안 고작 하나의 반구 정도만을 관찰할 수 있었습니다. 그래서 다른 면(다른 반쪽의 구)은 여전히 미스테리입니다.
명왕성은 마지막 비밀을 간직하고 있었습니다. 뉴 호라이즌이 보여준 마지막 명왕성 사진에서, 어둠속에서 빛나는 명왕성의 대기가 보여집니다.
가늘고 붉은 하늘이 숨겨진 바다위로 보여집니다. 지구에서 48억킬로미터 떨어진 곳에서.
-Fin-