기획·칼럼

목성의 위성들, 생명체가 살 수 있을까?

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] ESA 코스믹 비전 프로그램 (8) JUICE미션

현재까지의 목성 탐사

지구 대기권 밖의 천체 중, 인류가 현재까지 ‘직접’ 땅을 밟은 천체는 달 뿐이다. 목성 탐사 역시 현재 과학 기술로는 인류가 도착하기에 너무나 멀 뿐 아니라 목성의 강한 방사능이나 자기장 등 현실적으로도 여러 가지 문제에 부딪히게 된다. 이 때문에 목성 탐사는 무인 우주선이나 궤도선의 근접 관측 및 촬영을 통해서 진행되고 있다.

인류의 첫 목성 탐사로 1972년에 발사된 파이어니어 10호 (Pioneer 10)’를 들 수 있는데, 위 탐사선은 목성에 약 13만 km까지 접근하여 최근접 사진을 전송한 탐사선으로 유명하다. 또한 파이어니어 10호는 코스모스 천문학자 칼 세이건의 제안으로 외계 생명체들을 향한 메시지로써 인간의 모습, 기본 원자들 그리고 태양계의 대략적인 개요도가 그려진 금속판을 장착한 우주선이다. 위 탐사선은 최초로 목성의 자기장을 발견하였으며 목성 내부 대부분이 유체로 이루어져 있음을 밝혀냈다.

파이어니어 10호에 탑재된 외계 생명체들을 향한 메시지 ⓒ Pioneer 10/NASA

1979년에 보이저 1호와 보이저 2호는 목성의 고리에 관해서 관측하고 연구한 바 있다. 위 탐사선들의 가장 큰 성과라면 목성의 위성들에 관해서 자세히 밝혀냈다는 점인데, 구체적으로 목성의 위성 이오에서 화산활동이 일어났다는 점과 유로파에 표면 얼음이 있다는 점을 밝혀냈다. 13년간이나 토성을 돌면서 가장 성공적으로 토성을 관측했던 카시니-하위헌스호(Cassini-Huygens)는 목성에 가까이 접근하여 목성의 대기권에 관해서 자세히 촬영한 바 있으며, 최초로 명왕성을 자세하게 관측하는 데 성공한 뉴허라이즌스(New Horizons) 탐사선 역시 목성을 관측한 바 있다. 이처럼 태양계 바깥을 향하는 탐사선들 대부분은 목성을 한 번씩 거쳐 가며 근접 촬영과 연구를 진행하였다.

현재까지 진행되었던 목성 관련 미션 중 가장 과학적으로 의미 있는 미션은 바로 1989년 지구에서 출발해서 1995년에 목성에 도착한 미국 항공우주국의 목성 탐사선 갈릴레오(Galileo) 미션이다. 갈릴레오 미션은 목성의 위성 중 하나인 유로파의 얼음 밑에 소금을 함유한 바다가 존재할 가능성이 높다는 사실을 알아낸 바 있다.

가장 최근 목성을 탐험한 탐사선은 미국 항공 우주국의 목성 탐사선인 주노(Juno) 탐사선을 들 수 있다. 주노 탐사선은 목성의 극궤도를 가장 가까이에서 촬영하여 신비롭고 아름다운 목성의 모습을 인류에게 선사한 바 있다. 또한 주노 탐사선은 목성의 극궤도에서 폭풍이 일어나고 있음을 밝혔다. 주노 탐사선의 목성 연구는 현재도 진행 중이며 2021년 목성에 추락하여 탐사선의 임무를 마칠 예정이다. 2021년 현재 총 8개의 우주선과 궤도선이 목성을 탐사하였거나 연구하고 있다.

주노 탐사선이 최근 촬영한 목성의 극지방 모습 ⓒ JUNO/NASA

가까운 미래에 진행될 목성 탐사

인도 우주 연구기구는 머지않아 인도 최초의 목성 탐사선을 발사할 전망이며, 중국국가항천국 역시 2029년을 목표로 목성 탐사선을 발사할 계획을 하고 있다. 하지만 현재 가장 기대되고 있는 목성 탐사선이라면 유럽 우주국에서 계획하고 있는 코스믹 비전 계획 중 첫 번째 큰 규모의 미션인(JUpiter ICy moon Explorer) 탐사선을 들 수 있다. 유럽 우주국에서 또 한 번의 거대한 목성 프로젝트가 시작될 전망이다.

JUICE의 탐사선의 상상도 ⓒ JUICE/ESA

목성의 위성들은 연구 가치가 있을까?

2021년 현재 목성은 79개의 위성을 거느리고 있음이 확인되고 있다. 목성은 토성과 함께 태양계에서 가장 많은 위성을 거느리고 있는 행성 중 하나로 이들의 위성들은 천문학계에서도 큰 관심의 대상이 되고 있다. 목성의 위성들은 목성 주위를 둘러싸고 있는 먼지와 가스로 이루어진 원반에서 형성되었다고 여겨지는데 위 위성들은 행성계 형성 초기에 이미 만들어졌던 큰 행성이나 위성, 혹은 소행성들의 잔해일 가능성도 있다. 목성을 바깥쪽으로 돌고 있는 위성들은 주변 소행성들이 포획된 것으로 여겨지고 있으며 포획과정에서의 여러 위성과 소행성들의 충돌은 더 작은 위성들을 만들어 냈을 것으로 생각된다.

목성의 위성 중 지름이 3천 킬로미터에서 5천 킬로미터에 달할 정도로 큰 위성들인 빅4 위성 (이오: Io, 유로파: Europa, 가니메데: Ganymede, 칼리스토: Callisto)들은 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 목성 주변에서 발견하였기에 갈릴레오 위성이라고 불린다. 이들은 모두 제우스 (주피터: 목성의 이름)의 연인들의 이름을 따라서 명명되었다. 이중 가장 큰 위성은 가니메데인데 태양계의 위성 중 가장 큰 크기와 밝기를 자랑한다.

갈릴레오 미션이 촬영한 가니메데의 모습 ⓒ Galileo/NASA

가니메데와 칼리스토는 규산염 암석과 얼음이 거의 같은 비율로 이루어져 있다고 생각되며 지하에 상당한 물이 있다고 예측되고 있다. 갈릴레이 위성 중 가장 작은 크기이지만 태양계의 보통 위성들보다는 월등히 큰 위성인 유로파 위성은 지구에서도 여러 차례 관측되면서 유명세를 탄 위성이다. 달보다 약간 작은 크기의 유로파 위성은 주로 규산염 그리고 철로 이루어져 있으며 대기는 산소로 이루어져 있다고 예측되고 있다. 유로파 위성은 표면이 매끄럽기 때문에 지하 바다가 존재한다고 예측되며, 이 때문에 생명체의 서식 가능성이 큰 위성 중 하나이다.

갈릴레오 미션이 촬영한 칼리스토의 모습 ⓒ Galileo/NASA

천문학자 윌리엄 허셜이 발견한 토성의 위성 엔셀라두스(Enceladus)는 표면이 얼음으로 덮여 있으며 거의 모든 태양 빛을 반사하기 때문에 매우 밝게 빛나는 위성 중 하나이다. 엔셀라두스 위성에서 수증기 기둥이 발견되어서 큰 인기를 끌었는데, 2013년 유로파 위성에서도 위와 비슷한 수증기 기둥이 발견되었다. 이처럼 갈릴레이 위성들은 연구할 가치가 상당히 높은 위성들로 여겨지고 있으며 유럽 우주국은 바로 이에 집중하고자 JUICE 탐사선을 준비하고 있다.

목성의 위성들에 생명체가 서식할 있을까? 

2012년 5월 12일 처음으로 JUICE 임무 계획이 발표되면서 천문학자들은 흥분을 감추지 못했다.  JUICE 미션은 목성의 수많은 위성 중 생명체가 서식 가능하다고 여겨지는 위성들을 탐험할 예정이기 때문이다.

JUICE 미션의 목성 및 목성 위성들 탐사 상상도 ⓒ JUICE/ESA

JUICE 탐사선은 2022년 6월에 발사를 목표로 진행되고 있으며 지구, 금성, 지구, 화성, 그리고 마지막으로 다시 지구 등 최소 5번의 중력 비행을 거치면서 총 88개월의 긴 여행 끝에 2029년 10월에 목성에 도달할 예정이다. 2030년 유로파에 관한 연구를 진행할 전망이며 2031년에는 칼리스토를 관측할 계획이다. 이후 2032년까지 가니메데의 궤도에 진입하여 임무를 수행하게 된다.

JUICE 미션은 가니메데와 칼리스토 위성의 해양 층에 관해서 자세히 촬영하고 연구하며 지하에 존재한다고 여겨지는 물에 관해서 파헤칠 전망이다. 구체적으로 위성들의 표면 지형과 지질 등을 매핑하며 얼음으로 구성된 위성 외부껍질의 물리적인 특성을 연구할 전망이다. 또한 위성들의 내부 질량 분포를 바탕으로 역학 및 내부 진화가 어떻게 진행되었는지 예측할 수 있을 전망이다. 마지막으로 가니메데 위성의 고유 자기장과 목성 자기권과의 상호 작용에 대한 연구가 뒷받침될 전망이다.

이 모든 세부 연구를 바탕으로 JUICE 탐사선이 얻고자 하는 과학적인 목적은 갈릴레오 위성 그룹 전체가 어떻게 형성되었는지 또 어떠한 진화과정을 겪었는지에 관한 전반적인 수수께끼를 푸는 데에 있다. JUICE 미션에 탑재될 11가지의 과학 장비는 주로 미국, 유럽 전역 그리고 일본의 연구소들이 참여하여 장비 개발 및 테스트를 함께 진행하고 있다. 2034년 추진제를 모두 소모하게 될 JUICE 탐사선은 가니메데에 충돌하여 임무를 마칠 계획이다.

JUICE 미션과 함께 목성 위성을 탐구할 유로파 클리퍼 (Europa Clipper) 미션

JUICE 미션은 미 항공 우주국(NASA)의 유로파 위성 탐사선 유로파 클리퍼 (Europa Clipper)와 함께 목성 위성 탐험 임무를 수행할 예정이다. 19세기 대양을 항해했던 범선을 연상시키기에 클리퍼 (Clipper)라고 명명된 유로파 클리퍼는 이름 그대로 유로파 위성에 집중할 계획이다. 현재 계획대로라면 2025년에 목성 주위에 도착할 계획이며 수십 차례 이상 유로파를 근접 통과하는 방식으로 연구를 수행하게 된다. 위성을 여러 번 근접 통과하는 방식이 목성의 방사선 영향을 덜 받게 되기에 궤도에 직접 들어가서 연구를 수행하는 것보다 더 안전하다. JUICE 미션과 비슷하게 유로파 클리퍼 역시 목성의 위성 즉 유로파 위성의 지면 아래 얼음에 생명체가 존재하는지를 탐구할 계획이다.

유로파 클리퍼의 목성 및 유로파 위성 탐사 상상도 ⓒ NASA/JPL

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