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우주, 행성계, 생명의 기원을 살핀다.
우주의 끝을 해명하고, 생명이 존재하는 것 같은 행성을 찾는 NASA의 "오리진 계획"을 소개한다.
이제까지 2000년 이상에 걸쳐 고대 철학자와 중세 과학자들은 지구 밖 세계의 존재, 또 거기에 생명(어쩌면 지적 생명)이 있는가에 대하여 생각해 왔다. 그러나 세 번째의 1000년기에 접어든 현재는, 철학적인 고찰뿐만 아니라 과학적으로 직접 조사할 수 있는기술력이 개발된 시대가 되었다.
NASA(미국 항공 우주국)의 ‘오리진 계획’은, 인류의 기원을 빅 뱅이 일어난 지 얼마 되지 않은 최초의 별이나 은하의 탄생까지 거슬러 올라가고, 더 나아가 우리 은하계 안에 있는 별들의 주위에서 우리가 살 수 있는 세계를, 또는 거기에 있을지도 모르는 생명 그 자체를 살피려는 계획이다.
▶ 우리 이외의 세계는 존재하는가?
태양계의 참모습을 모르던 기원전 300년경 그리스의 철학자 에피쿠로스(Epicouros; 341?~270? B.C.)는 다음과 같이 말하였다. “우리의 세계와 비슷한 세계, 또는 전혀 비슷하지 않은 세계가 무한히 있는 것이 틀림없다. 이 세계에서 우리가 보고 있는 생물이나 행성 등이 어느 세계에나 존재한다는 것을 우리는 믿어야 할 것이다.”
중세에 일어난 유럽의 르네상스를 통하여 우주에 대한 인류의 지식은 넓어졌다. 코페르니쿠스, 케플러, 갈릴레이는 지구를 우주의 중심 위치에서 내리고 태양을 중심으로 행성이 그 주위를 돈다는 태양계를 제시하기에 이르렀다.
그러나 이러한 세계에서 생명체 존재에 대한 논의는 종교적인 반발을 불러일으켰고, 로마 가톨릭 교회로부터 쏟아지는 비난에 대한 공포에 휩싸였다. 브루노(G. Bruno; 1548~1600)는 다른 행성에 생명이 존재한다는 것을 굳게 믿고 있었다. “태양은 수없이 존재하고 마찬가지로 그들 태양의 주위를 돌고 있는 지구도 수없이 존재한다. 우리 가까이에 있는 7개 행성이 태양 주위를 돌고 있는 것과 마찬가지이다. 우리 눈에 보이는 것은 가장 큰 물체인 태양이 빛나고 있기 때문이지만, 다른 행성은 더욱 작고, 더욱이 빛나지 않으므로 우리의 눈에는 보이지 않는다. 지구에 뒤떨어지지 않는 놀라운 세계, 지구 보다도 살기 좋은 세계는 무수히 존재하는 것이다.”
다른 세계에 대한 이러한 신념에 의하여 브루노는 1600년 화형에 처해졌다. 갈릴레이는 태양 중심의 우주관을 지지하는 과학적 발견을 하였다. 그래서 1633년 가톨릭 교회에 의하여 이단자로서 파문을 선고받았다. 파문은 1992년까지 풀리지 않았다.
몇 세기에 걸쳐 우주에 대한 이해가 발전하여 다른 항성을 선회하는 행성이 있을 것이라는 확신이 높아졌다. 그럼에도 1996년 유럽 천문대에서 마이욜과 케로가, 페가수스자리 51번 별 부근을 선회하고 있는 목성 정도의 질량을 가진 천체를 발견할 때까지는 확실한 과학적 사실이 없었다.
유럽에서 이루어진 이 발견은, 미국의 과학자 머시와 버틀러에 의하여 곧바로 확인되었다. 그들이 사용한 기술은 동반성의 인력에 의하여 일어나는 섬세한 진동을 찾아 내 모성의 속도를 측정하는 방식이었다.
항성 부근을 선회하는 목성 정도의 질량을 가진 천체는 이제까지 약 20개가 발견되었다. 안드로메다자리 엡실론 별은 분명히 행성계인 것 같다. 더욱이 행성은 하나가 아니라 목성의 절반에서 5배 정도의 질량을 가진 것이 3개나 있으며, 모성에서 0.2~2AU(천문단위; 1AU는 태양과 지구의 평균 거리로서 약 1억 5000만 km)인 곳을 선회하고 있는 것 같다.
▶ 태양계 밖의 행성계를 찾는다
다른 행성계에 대한 지식을 진전시키고, 생명 그 자체의 징후를 살피기 위하여 NASA 에서는 지상과 우주에 많은 망원경을 설치할 계획이다.
선회하고 있는 행성의 인력에 의하여 항성의 위치는 약간 요동하여 변화한다. 그것을 탐색하기 위하여 NASA는 2006년에 ‘우주 간섭계 미션(SIM)’을 발사한다. 10광년 앞에 있는 항성 주위를 지구 정도의 크기를 가진 행성이 돌고 있는 경우, 항성의 위치 변화는 100만 분의 1초각(初角)이다. 이것은 대략 화성 표면에 있는 자전거를 지구에서 보았을 때의 각도에 해당한다.
이처럼 정밀한 측정을 위하여, 두 대 이상의 비교적 작은 망원경(구경 0.4m)이 사용된다. 매우 작은 각도의 관측을 가능하게 하기 위하여 거리(10m)를 두고, 이들 망원경을 배치 한다.
SIM은 지구의 2~3배 크기의 행성을 가지는 행성계를 찾기 위하여 비교적 태양계에 가까운 수백 개의 항성을 조사한다. SIM은 간섭계의 기법을 이용하는 미국 최초의 우주 천문대가 될 것이다(우주에서 행한 간섭계 미션의 제1호는, 일본이 1997년 2월에 발사한 전파 천문 위성‘하루카’이다).
SIM을 발사하고 나서 수년 후, NASA는 ‘차세대 우주 망원경(NGST)’을 발사한다. 이것은 허블 우주 망원경(HST)의 후속기이다. HST의 주거울 지름 2.4m보다도 큰 지름 8m의 거울을 탑재하므로, NGST는 HST보다 1000배나 강력하다. 행성의 형성, 또는 생명의 형성에 적합한 최초 원소의 기원에 대하여 열쇠가 될 만한 발견을 할 것이다.
NGST는 또 허블 우주 망원경이나 지상 망원경에서 사용되고 있는 거울보다도 10배나 가벼운 반사경을 개발하는 계기가 될 것이다. 지구형 행성을 발견한다. SIM과 NGST로 개발되는 간섭계와 경량 망원경 기술은, 2011년경에 발사할 예정인 ‘지구형 행성 발견 위성(TPF)’으로 이어진다.
TPF의 목표는 지구형 행성의 빛을 모성(母星)의 빛에서 분리하여 직접 포착하고, 그 빛을 분석하여 생명을 유지할 수 있는 대기의 증거, 또는 원시 생명의 존재를 나타내는 대기의 증거를 발견하는 일이다.
행성의 빛 바로 가까이에서 오는 모성의 빛을 무효로 하기 위하여, TPF는 간섭계 기법을 사용한다. 모성과 행성의 빛의 대조를 가장 눈에 잘 띄는 적외선 영역에서 봄으로써, TPF는 행성을 발견할 수 있을 것이다. 또 그 행성의 대기 중에 이산화탄소, 수증기, 오존 등의 기체가 있다면 그 특징을 검출할 수 있을 것이다.
이산화탄소와 수증기가 있다면, 그 행성은 지구와 마찬가지로 생명을 키우기에 적합한, 따스하고 습기찬 두꺼운 대기를 가지고 있는 것이 된다. 또 그 행성에 오존이 있다면, 대기 중에 대량의 산소를 탄생시킨 원시적인 광합성 생물이 존재한다는 강력한 증거가 된다.
생명이 없는 경우, 산소와 오존은 일반 화학 반응에 의하여 머지않아 행성의 대기에서 소멸되어 버린다. TPF는 5년에 걸친 미션의 마지막인 2016년경에, 우리 태양계에서 50광년 이내의 약 200개의 항성에 대하여 거주가 가능한가를 조사할 것이다.
지구에 살고 있는 생명의 메커니즘에 대해서는 생물학자에 의하여 크게 진보해 왔다. 거주 가능한 행성과 생명 그 자체를 탐색하는 데는 그 진보를 바탕으로 진척시킬 수 있다. 생물학자의 연구에 따르면, 지구상의 생명은 특히 단단해서 해저 화산의 화구나 지하 수 km의 암석 중에 있는 비등 직전의 물처럼 매우 적대적으로 보이는 생태적 조건에서도 생존할 수 있다.
많은 과학자들은 탄소나 산소ㆍ질소ㆍ황ㆍ인 등의 원소가 액체 상태의 물 및 자유롭게 쓸 수 있는 어떤 에너지원(일광이나 지열)과 함께 존재한다면, 생명은 어디에서나 형성 된다고 믿고 있다. 지구상의 생명은 약 38억 년 전, 즉 태양계가 탄생하고 나서 겨우 8억 년밖에 지나지 않은 무렵까지 거슬러 올라갈 수 있다. 물과 생명의 기원이 되는 물질은 항성의 근원이 되는 물질이나 형성 과정에 있는 항성의 원반, 우리 태양계 안의 혜성 등, 우주의 거의 어디에나 있다는 것을 천문학자들은 알고 있다.
생명, 적어도 원시적 생명이 우주의 어디엔가에 존재하며, TPF와 같은 미션에 의하여 그것을 검출할 수 있는 기회가 있다고 기대하고 있다.
▶ 화성에 생명은 존재하는가?
생명이 이제까지 생각하고 있던 것보다 훨씬 튼튼하다는 것을 알고 나서 NASA의 우주 과학 계획에서, 태양계 내의 지구 이외의 천체에서 생명을 찾는 새로운 테마가 떠오르게 되었다.
태양계 밖의 행성이 처음으로 발견되려던 시기와 거의 시기를 같이하여, 지구의 더욱 가까운 곳에서 주목할 만한 발견이 이루어졌다.
남극의 아란힐즈에서 회수된 운석을 조사하던 NASA의 과학자가, 이 운석에는 화성에서 튀어나와 지구까지 왔다는 증거가 있다고 1996년에 발표하였다. 그리고 그 운석에 미생물의 화석이 포함되어 있다고 주장한 것이다. 미생물의 화석이 진짜인가에 대해서는 연구자들이 의문을 표시하고 있다.
그러나 그 후 10년 동안에 많은 화성 탐사기의 착륙 계획이 구상되었으며, 화성에서 생명을 발견할 수 있을지도 모른다는 흥분은 계속되고 있다.
1999년 12월, 발사된 마르스 폴라 랜더(착륙기)는 당초 이산화탄소나 물로 되어 있는 극관 표면의 얼음을 조사하기로 되어 있었다. 그리고 기상 변화의 영향을 살피고, 물이나 이산화탄소, 먼지의 계절 주기를 제어하고 있는 물리 과정을 조사할 예정이었다. 그러나 아쉽게도 이 계획은 실패하여 화성 탐사 계획에 차질을 빚게 되었다.
그 뒤를 이어 예정되어 있던 미션은 2002년 1월 22일에 화성에 착륙하는 마르스 서베이어 2001의 랜더이다. 이 랜더는 지질을 조사하거나 로버(탐사차)의 조작을 보조하는 카메라를 갖추고 있다. 화성 토양의 특성을 조사하는 것 이외에, 예를 들어 화성대기의 기체를 이용해 로켓 연료를 만들어 내는 공개 실험과 같은, 화성 유인 미션의 가능성을 살피기 위하여 고안된 실험을 하게 된다.
1997년에 화성 착륙에 성공한 마르스 패스파인더에서는 로버에 의한 탐사도 실시되었다. 그 때의 것과 유사한 로버도 랜더 부근에서 화성의 지형을 탐사한다. 오비터(선회기)는 화성 표면의 광물 조성과 원소 조성을 매핑(mapping)하고, 착륙한 인간에게 위험을 가할지도 모르는 방사선 환경을 조사한다.
▶ 화성의 토양 샘플을 가져온다
2001년의 미션 다음에는 2003년과 2005년의 미션이 계획되어 있다. 이들 미션에서는 화성 표면의 연구에 더하여 화성의 토양 샘플을 지구에 가져와, 화학적·생물학적 실험을 하여 분석하는 데 중점을 둔다.
2003년의 미션도 2005년의 미션도 샘플은 화성 선회 궤도로 운반되고, 2005년의 미션에 의하여 지구로 가져오게 된다. 지구상의 실험실에서 분석하기 위한 샘플이 지구에 도착 하는 것은, 빨라야 2010년경이 될 것이다. 생명이 있을지도 모르는 화성 물질에 의하여 지구 환경이 오염되지 않도록, 또 반대로 화성 샘플이 지구 환경의 영향을 받지 않도록 철저한 대책이 마련되어야 할 것이다.
화성에서 이루어질 이들 무인 미션은 화성 유인 비행을 목표로 한 장기 비전과 관련해서 진행되고 있다. 현 단계에서는 공식적으로는 고려하지 않고 있다. 그러나 유인 화성 탐사 계획은 그것을 안전하고 비용을 덜 들이고 수행하는 기술을 이용할 수 있게 된다면 반드시 큰 관심을 모을 것이다.
무인 오비터와 랜더, 로버는 우주 비행사를 어느 지점에 착륙시키면 안전한가, 지구 밖 생명의 징후를 찾는 열쇠가 되는 여러 문제에 답하기 위해서는 인간의 특수한 재주를 어디서 발휘하면 좋은가를 가르쳐 줄 것이다.
▶ 생명의 또 하나의 가능성, 에우로파
생명이 존재할지도 모르는 천체가 태양계 안에 또 하나 있다. 그것은 목성의 4대 위성의 하나인 에우로파이다. 1970년대의 보이저 탐사기의 화상과, 최근 갈릴레오 탐사기의 화상에서 나타난 바와 같이 에우로파 표면은 두께 약 10km의 얼음판으로 덮여 있다.
그 얼음층 아래에는 액체인 물의 바다가 있는 것 같다. 갈릴레오의 화상에서는 전에 흐르다가 현재는 얼어붙은 것 같은 수로(水路) 안에 뉴욕의 맨해튼 섬만한 거대한 빙하가 빙결되어 있다는 증거가 있다.
태양과 달이 지구의 해양에서 조석을 일으키고 있는 것처럼, 목성도 에우로파에서 조석 작용이 일어나게 하고 있을 것이므로, 지금도 액체의 물이 에우로파에 존재하고 있을 가능성은 있다. 에우로파의 만조(밀물)는 경우에 따라 30m의 높이까지 된다.
30m나 되는 진폭에 도달하는 이 조수 간만이 항상 일어나고 있다면, 물은 얼지 못할지도 모른다. 갈릴레오의 데이터를 통하여 계산한 바에 따르면, 이 해양은 광물을 많이 포함하고 있는 것 같다. 이처럼 에우로파는 물, 생명의 근원이 되는 물질, 조석 마찰이라는 형태의 에너지원을 가지고 있는지도 모른다.
NASA는 현재 에우로파의 미션을 검토하고 있다. 미션의 목적 가운데 하나는 표면의 얼음 두께를 측정하는 것이다. 더욱이 얼음을 뚫고 전파를 반사시킴으로써, 그 아래에 가로 놓인 액체의 해양을 검출하는 일이다. 또 다른 기기도 에우로파의 표면과 상세한 내부를 분명하게 밝혀 줄 것이다.
이 미션이 에우로파에 도착하는 것은 2008년이 될 전망이다. 이것은 앞으로 에우로파에 랜더를 보내는 선구자가 될 것이다. 그 랜더는 얼음을 녹이면서 잠수하여 해저의 모습을 탐사하는 원격 조작 잠수함을 발사하게 될 것이다.
▶ 오리진 계획이 목표로 하는 것
우리의 기원을 추적하면, 가까이는 이 태양계 안의 화성과 에우로파, 멀리는 거주 가능한 또는 누군가가 살고 있는 부근의 별들에까지 다다른다. 또 거기에서는 생명의 근원이 되는 물질이 처음으로 생긴 은하 안에서의 초기 별들의 형성에 이르게 될 가능성도 있다.
TPF도, 화성 샘플 리턴도, 에우로파 랜더도 오리진 계획의 종착점은 아니다. 모든 미션과 마찬가지로 그들의 미션도, 생명의 기원을 발견하고 우주가 생명으로 가득 차 있는가를 검증하여, 우리와 우주 안에서의 우리의 위치를 깊이 이해하고 넓게 하기 위한 탐구의 하나로서 꼭 필요한 통과점인 것이다. |