인류가 살고 있는 지구를 포함하여 화성, 목성 등 태양을 중심으로 도는 별들을 행성이라 부른다. 또한 구형에 가까운 모양과 중력을 가지고 있고 다른 행성의 위성이 아니어야 행성으로 인정받을 수 있다.하지만 이런 조건들을 충족시킨다 하더라도 모두 행성으로 분류되지는 못한다. 궤도 주변의 다른 천체를 밀어내어 균형을 유지할 수 있는 크기와 중력 등을 갖고 있어야 하는데, 그렇지 못한 별들만 해도 태양계 내에는 무수히 많이 존재한다.

이런 별들을 왜행성과 소행성이라 부른다. 두 행성은 거의 비슷한 형태로 이루어져 있지만, 소행성이라고 하기에는 다소 큰 천체들을 왜행성으로 분류한다. 따라서 왜행성은 왜소행성으로 불려지기도 한다.

이 같은 왜행성이 최근 들어 천문학계의 커다란 관심을 끌고 있다. 미 항공우주국 나사(NASA)의 무인 왜행성 전문 탐사선인 던(Dawn)이 역사상 최초로 왜소행성인 세레스(Ceres)에 접근했기 때문이다. 세계적인 과학저널 네이처(Nature)도 2015년의 과학계의 최대 이슈 중 하나로 ‘왜행성(dwarf planets) 탐사’를 꼽았다. (관련 링크)

2015년은 왜행성 탐사에 있어 기념비적인 한 해

올해는 왜행성 탐사에 있어 기념비적인 한 해가 될 것으로 보인다. 현재 두 대의 탐사선이 역사상 최초로 왜행성 도착을 앞두고 있기 때문이다. 첫 번째 탐사선인 던은 세레스를 탐사하고, 두 번째 탐사선인 뉴호라이즌스(New Horizons)는 명왕성을 탐사할 계획이다. 에정대로라면 던은 3월에, 그리고 뉴호라이즌스는 오는 7월에 도달하게 된다.

나사는 최근 보도자료를 통해 8년 전에 발사한 던이 세레스에서 불과 64만 킬로미터(km) 떨어진 거리까지 접근했다고 발표하면서, 예정일인 오는 3월 6일에 궤도에 도착하게 되면 던이 인공위성의 역할을 하면서 이 왜행성을 정밀 관측할 예정이라고 밝혔다.

나사가 발표한 자료에 따르면 탐사선은 우선 세레스에서 5900킬로미터 정도 떨어진 위치에서 궤도에 진입한 후, 점차 고도를 낮추다가 10개월 동안은 고도를 700킬로미터 까지 근접하여 탐사할 계획인 것으로 나타났다. 따라서 거의 1년에 걸쳐 세레스에 대한 상세한 데이터가 수집될 것으로 보인다.

화성과 목성 사이에 위치한 세레스는 1000킬로미터가 약간 안 되는 지름을 가졌다. 표면 중력은 지구의 2.8퍼센트(%)에 불과해 지표 위를 걷는 것은 매우 힘들 것으로 추정되고 있다. 또한 표면 평균 온도는 168K 정도로서, 섭씨로 치면 영하 100도 이하인 극한의 환경으로 이루어진 곳이다.

화성과 목성 사이에 위치한 세레스는 태양을 4.6년 주기로 공전하고 있다. 그 존재가 알려진지는 2세기가 넘었지만, 그동안에는 그냥 평범한 소행성의 하나로 여겨져 왔다. 그러던 세레스가 최근 들어 주목을 받고 있는 이유는 지표나 지하 일부분에 얼음을 포함하고 있을 가능성이 제기되고 있기 때문이다.이 같은 사실은 지구에서 왜행성들을 관측하고 있는 유럽우주국(ESA)의 허셜우주망원경(Herschel space observatory)이 세레스의 지표에서 수증기가 발생하는 듯한 현상을 포착함에 따라 드러났다. 이어서 허블 우주망원경도 세레스에서 수증기의 증거를 발견하면서 이목이 집중되었다.

영하 100도 이하의 상상조차 할 수 없는 온도와 소행성으로 분류되었을 정도로 작은 왜행성에서 어떻게 물이 존재할 수 있을까라는 의문에 대해 나사의 과학자들은 타원형의 공전 궤도와 희박한 대기를 가설로 제시했다.

그들은 “공전 궤도가 타원형이기 때문에 태양에 가까운 지점으로 이동할수록 일시적으로 얼음 표면이 녹을 수 있다”라고 설명했고 “대기가 희박한 관계로 다른 열을 보존할 만한 매개체가 없기 때문에, 물이 표면을 흐른다면 태양빛을 받는 즉시 바로 끓어 올라 증발하면서 수증기를 만들었을 것”이라고 예측했다.

이번 프로젝트를 주도하고 있는 나사의 관계자는 “만약 세레스에서 얼음이나 물이 발견된다면, 이는 미래 우주 탐사에 있어 중대한 계기가 될 것”이라고 전하며 “우주 개척에 나설 후손들이 왜행성을 중요한 자원의 공급처로 활용할 것이기 때문”이라고 덧붙였다.

소행성과 왜행성을 차례로 탐사한 던

던은 1240킬로그램(kg) 정도의 중형 탐사선으로 지난 2007년 발사되었다. 발사 전 던에게는 두 곳을 방문하는 임무가 부여되었다. 최종 도착지는 세레스였지만, 중간에 소행성 베스타(Vesta)를 방문하는 것이 첫 번째 임무였다.

던은 지난 2011년에 베스타에 도달한 뒤 2012년 까지 베스타의 궤도를 돌며 정밀 관측을 했다. 나사는 던이 보내온 베스타의 이미지들이 소행성 연구에 있어 매우 가치 있는 자료들이라고 평가하면서, 그 데이터들을 현재도 분석 중이라고 밝혔다.

두 행성을 방문하는 것이 별것 아닌 것처럼 보일지 모른다. 그러나 천문학계는 태양계 탐사 역사상 두 곳의 천체를 방문하여 인공위성의 역할을 수행하도록 한 것은 대단히 어려운 일이라고 평가하고 있다.

이전에 여러 행성을 방문했던 보이저 1호나 2호 같은 탐사선은 그냥 가까이 스쳐지나간 것이지, 던처럼 행성의 궤도를 공전한 것은 아니다. 나사의 관계자는 “근접하여 사진을 찍고 지나가는 것과 궤도에 진입하는 것은 엄청난 차이가 있다”고 언급하며 “이 같은 임무를 수행하기 위해 던에게는 이온 플라즈마(Ion Plasma) 기술이 도입되었다”고 밝혔다.

던이 하나의 천체인 베스타의 궤도에서 벗어나, 다른 천체인 세레스를 향해 갈 수 있었던 이유는 물론 이 천체들의 중력이 약하다는 것이 큰 힘이 되었다. 그러나 그 것만 가지고는 아무리 소행성이라도 탈출하기가 쉽지 않다. 던은 이온 플라즈마 기술이 적용된 로켓이 달려있어 이를 활용하여 궤도를 벗어날 수 있는 추력을 이끌어 냈다.

이온 플라즈마 로켓은 사실 힘이 매우 약하다는 단점이 있다. 지상에서는 거의 종이 한 장 들어 올릴 수 있을 만큼의 약한 힘 밖에 낼 수 없다. 그러나 우주 공간이라면 이야기가 달라진다.

아무리 약한 힘이라도 꾸준히 가속하면 마찰이 없는 우주 공간에서 속도가 점점 빨라져 탐사를 진행 할 수 있다. 탐사선 던도 4일 동안 가속해서 시속 96킬로미터의 빠른 속도로 베스타의 공전 궤도를 벗어날 수 있었다.

나사의 관계자는 “던의 관측만으로 세레스의 구조를 탐사하기는 어렵지만, 우리는 외부 지형으로 부터 세레스의 내부 구조에 대한 단서를 얻을 수 있을 것으로 생각한다”라고 기대하며 “이번 탐사가 왜행성 개척 역사의 한 획을 긋기를 바란다”고 밝혔다.