기획·칼럼

중심핵만 남은 소행성의 수수께끼를 풀다

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] NASA의 디스커버리 프로그램(14) 프시케

우리 태양계 안쪽의 먼지 원반인 소행성대에는 지름 226km에 달하는 16 프시케(이하 프시케)라는 소행성이 존재한다. 18세기 이탈리아 천문학자 가스프리스가 발견한 프시케는 화성과 목성 궤도 중간 정도에서 거의 완벽한 원형의 궤도로 태양을 돌고 있으며 상당히 무거운 소행성에 속한다. 예를 들면, 6년 전에 유럽 항공 우주국의 혜성 탐사선 로제타(Rosetta)의 착륙 로봇 필래(Philae)가 착륙한 추류모프-게라시멘코 혜성보다 200만 배나 무겁다. 질량이 무거움에도 불구하고 1980년대부터 관측되어온 바에 따르면 광도 곡선이 변화하는 것으로 보아서 구형이 아닌 것으로 드러났다.

화성의 궤도(흰색)와 목성의 궤도(핑크색) 사이의 프시케 소행성의 궤도 (흰색) © Tomruen

하지만 위 소행성이 유명한 데에는 또 다른 이유가 있다. 프시케는 태양계에서 가장 신비한 물체 중 하나로 간주되고 있다. 프시케는 규산염 바위나 얼음으로 구성되어 있는 것이 아닌 지구 중심부와 유사한 금속, 즉 철과 니켈로 구성되어 있다고 생각되기 때문이다. 대부분 수십 km에서 수백 km에 달하는 미행성들(planetesimals)의 중심부는 태양계 성운에서 고체 물질이 집적되어 만들어진 태양계 초기의 퇴적암 형태로 이루어진다. 차가운 우주에서 이 용융 상태의 금속 방울은 빠르게 식고 굳으면서 얼음이나 암석 형태의 철, 니켈, 규산염 형태 등으로 변형되면서 원시 소행성을 형성하곤 하는 것으로 추정된다.

변형이 많이 될수록 내부 중심핵은 철과 니켈 등의 금속으로 이루어짐 © Elkins-Tanton et al. 2017

따라서, 프시케가 철이나 니켈로 이루어진 것은 먼 과거에 충돌로 인해서 암석 외층을 잃어버린 것이며 이로 인해 중심부의 핵이 노출된 것으로 추측된다. 프시케의 밀도는 다른 소행성들보다 많게는 두 배가량 높은 것으로 조사되었는데 이는 앞선 예측들을 고려할 때 당연한 결과이다.

프시케 소행성의 상상도 © Maxar/ASU/P. Rubin/NASA/JPL-Caltech

과학자들은 지구를 포함한 암석형 행성의 중심부 깊숙한 곳에서 금속으로 이루어진 핵의 존재를 추론하고 있다. 하지만, 이들은 맨틀과 지각 아래에 도달할 수 없는 위치에 있기에 아쉽게도 이를 직접 조사할 방법은 없다. 따라서 소행성 프시케는 지구형 암석 행성의 내부 모습과 현재의 프시케를 만든 충돌을 포함해서 소행성의 복잡했던 과거에 관한 힌트를 얻을 수 있는 과학적인 증거가 될 수 있다.

NASA (미항공우주국)의 새 디스커버리 프로그램의 일환으로 선정된 13번째 프로젝트 루시 프로젝트와 14번째 프로젝트 프시케 프로젝트는 공통점이 있다. 두 프로젝트 모두 소행성을 탐사하는 프로젝트라는 점이다. 특히나 프시케 프로젝트는 이름 그대로 소행성 프시케의 지질 성분, 구성 성분, 자기장 및 질량 분포 등에 관해서 탐험할 프로젝트이다.

당초 프시케 탐사선은 2023년 케네디 우주센터에서 출발할 계획이었다. NASA의 본부 행성과학부서 총책임자 짐 그린(Jim Green) 박사는 더 이른 발사를 하게 되면 프시케 탐사선이 더욱더 효율적인 궤적을 이용할 수 있는지 계산을 했고 프시케 소행성에 더 빠르게 도달할 수 있는 계획으로 수정됨으로써 ‘더 적은 비용으로 더 빠른 과학적인 목표’를 달성할 수 있음을 확인했다. 이는 역시 NASA의 디스커버리 계획에 부합하는 취지이기도 하다.

최종적으로, 원래의 일정보다 1년 정도 더 빠르게 2022년 발사될 예정이며 화성을 행성궤도에 접근해 통과(flyby)할 예정이다. 2026년 프시케 탐사선은 프시케 소행성에 최종 도달할 예정이며 이는 애초 계획보다 4년이나 앞당겨진 계획이다. 탐사선의 활동 기간은 대략 2년 남짓 지속될 전망이다.

린디 엘킬스-탠톤 (Lindy Elkins-Tanton) 박사가 이끄는 프시케 팀은 2014년 제45차 달 및 행성 과학 콘퍼런스에서 탐사선의 주요 임무를 발표했는데 역시 프시케 소행성의 구조적인 문제 파악에 중점을 두었다. 과연 프시케 소행성은 충돌로 인해서 암석 외층을 잃어버린 노출된 중심핵인지, 아니면 애초부터 철로 풍부한 소행성인지가 가장 큰 화두이다.

따라서 프시케 소행성과 일반적인 미행성 및 소행성의 구조적인 차이점 파악을 중심으로 프시케 소행성이 외층을 잃어버렸다면 언제 어떻게 발생했는지에도 집중적으로 탐사할 계획이다. 또한 프시케의 외층이 녹은 적이 있다면, 이는 안쪽에서 바깥쪽으로 굳었는지 혹은 그 반대인지도 집중 탐사할 계획이다. 이 외에도 프시케 소행성이 냉각되면서 자기장을 발생시켰는지와 중심부의 철 금속에 공존하는 주요 합금 원소가 무엇인지 파악하는 것도 세부적인 목표 중 하나이다.

최종적으로 이 모든 정보를 모아서 프시케의 현재 외형과 지구의 내부 핵이 얼마나 일치하는지 파악하여 구조적인 차이점을 설명하는 것이 가장 큰 목표이다. 앞서 설명한 대로, 만약 프시케 소행성이 암석 외층을 잃어버린 후 노출된 중심핵이라면 이는 우리가 직접 관측할 수 없는 지구형 암석 행성의 중심부를 파악할 수 있는 가장 좋은 표본이 된다.

이러한 질문에 대한 답을 찾기 위해 프시케 우주선에는 자기장을 측정하는 자기계와 표면과 구성 성분, 그리고 지질학적 특징을 조사할 목적으로 설치된 관측 카메라가 포함된다. 또한 표면에서 방출되는 중성자와 감마선을 분석하는 분광기도 탑재된다. 현재 제작되고 있는 프시케 탐사선의 디자인을 살펴보면 탐사선의 양쪽에는 2묶음의 4개 패널들이 5개씩 X자 형태로 태양 전지판을 구성하고 있다. 이들은 물론 태양에너지를 저장해서 탐사선에 에너지를 공급하는 것이 목적이다. 프시케 탐사선은 돈(Dawn) 탐사선과 일본 우주 항공국 (JAXA)의 최초 소행성 탐사선인 하야부사 우주선에 이용한 이온엔진의 한 형태로 추력을 발생시키는 형태의 엔진을 이용할 전망이다.

프시케 탐사선이 조사하고 있는 프시케 소행성의 상상도 © NASA/JPL

우리 인류는 암석형 행성인 화성 등을 탐험했고, 가스나 얼음으로 이뤄진 목성이나 토성 같은 행성들도 탐험했다. 하지만 금속으로 이루어진 행성이나 소행성은 탐험한 적이 없다. 우리 태양계에서 가장 신비한 천체 중 하나인 프시케 소행성의 수수께끼를 탐사선 프시케가 풀어줄 수 있을지 기대가 된다.

(650)

태그(Tag)

전체 댓글 (0)

과학백과사전