[아하! 우주] 수성가는데 왜 7년이나 걸릴까? - 탐사선 베피콜롬보 항로의 비밀

[서울신문 나우뉴스]

수성탐사선 베피콜롬보가 수성에 도착해 탐사하는 그래픽(출처=ESA)

수성과 지구가 가장 가까울 때는 8000만km밖에 안된다. 이는 지구-태양 간 거리 1억 5000만km의 반 남짓한 거리로, 우주선이 지구 탈출속도 초속 11km로 일직선으로 날아간다면 이론상으로는 약 105일 정도 걸리는 거리다. 그런데도 수성탐사선 베피콜롬보는 복잡한 경로로 무려 7년을 날아가야 수성 궤도에 진입할 수가 있다. 대체 왜 그럴까?

문제는 수성이 너무나 작은 행성인데다 빠른 속도로 태양을 공전하고 있다는 점, 그리고 바로 가까이 거대한 중력체인 태양이 버티고 있다는 점이다. 태양계 행성 중 가장 작은 수성의 지름은 약 4,900km(지구의 0.38배), 공전속도는 초속 48km나 된다.

따라서 탐사선이 수성 궤도에 진입하려면 먼저 태양을 강력한 중력을 뿌리치고 빠른 수성을 따라잡아야 하는 두 가지 장애물을 극복해야 한다. 이것이 1985년 수성궤도 진입 방법을 찾아낼 때까지 해결되지 않은 난제였다.

문제해결의 실마리는 플라이바이(flyby:행성궤도 접근통과) 항법에 있었다. 슬링샷 또는 스윙바이라고도 불리는 이 항법은 행성의 중력을 이용하여 궤도와 속도를 조정하는 방법으로 중력도움이라고도 한다.

탐사선이 행성의 중력을 받아 미끄러지듯 가속을 얻으며 낙하하다가 어느 지점에서 적절히 진행각도를 바꾸면 그 가속을 보유한 채 새총알처럼 튕기듯이 탈출하게 된다. 행성의 각운동량을 훔쳐서 달아나는 셈이다. 말하자면 우주의 당구공 치기쯤 되는 기술이다. 행성의 입장에서 본다면 우주선의 엉덩이를 걷어차서 가속시키는 셈으로, 이론상으로는 행성 궤도속도의 2배에 이르는 속도까지 얻을 수 있다. 그 반대로 우주선을 감속시킬 수도 있다.

수성탐사선 베피콜롬보의 복잡하고도 긴 비행 경로. 지구 1, 금성 2, 수성 6번 플라이바이를 해야 수성 궤도에 진입할 수 있다(출처=ESA)

현재 태양계를 벗어나 성간 공간을 날아가고 있는 보이저 1호는 이 기법을 이용해 목성 중력에서 시속 6만km의 속도 증가를 공짜로 얻었다. 보이저가 목성의 중력을 이용해 추진력을 얻을 때, 목성은 그만큼 에너지를 빼앗기는 셈이지만, 그것은 50억 년에 공전 속도가 1mm 정도 뒤처지는 것에 지나지 않는다. 현재까지 인류가 개발한 로켓의 힘으로는 겨우 목성까지 날아가는 게 한계이지만, 이 스윙바이 항법으로 우리는 전 태양계를 탐험할 수 있게 된 것이다.

베피콜롬보가 태양을 중력을 뿌리치면서 수성에 접근하기 위해서 우주선 궤도 설계자들은 태양 에너지와 화학 연료, 행성 플라이바이를 적절하게 조합한 결과 마침내 이 천체 장애물 코스를 통과할 수 있는 노선을 찾아냈다.

그것이 바로 9번의 행성 플라이바이를 거치는 노선으로, 2020년 4월의 지구, 2020년과 2021년의 금성 2번, 2021년에서 2025년 사이의 6번의 수성 플라이바이로 답안이 작성되었다. 행성 플라이바이에는 연료가 들지 않지만, 대신 시간이 많이 걸린다. 그래서 가까운 수성 궤도에 진입하기까지 무려 7년을 날아가야 하는 대장정이 되고 만 것이다.

그러나 7년 동안 탐사선이나 과학자들이 마냥 팔짱 끼고 노는 것은 아니다. 베피콜롬보에 탑재된 관측장비들이 제대로 작동하는지 지속적으로 체크하며 또 그중 절반 이상이 작동하면서 과학 데이터를 수집할 것이기 때문이다.

베피콜롬보의 수성 궤도 진입은 2025년 12월에 실행될 예정이다. 일단 궤도에 진입하면 탐사선은 유럽의 수성 궤도선(MPO)과 일본의 수성 자기권 궤도선(MMO)으로 분리되어 상호 보완적인 궤도를 선회하면서 탐사에 들어가는데, MPO는 2.3시간마다 한 차례 수성을 공전하고, MMO는 9.3시간마다 한 바퀴씩 돌게 된다.

모든 것이 계획에 따라 진행된다면, 베피콜롬보에 탑재된 16개의 관측장비들은 이 작고 괴상한 행성에 대해 놀라운 데이터를 수집할 것으로 기대되고 있다. 과연 베피가 수성과 우리 태양계 형성의 비밀들을 풀어줄 실마리를 찾아내줄 것인지 미션 과학자들은 기대에 부풀어 있다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

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