50년째 계속되는 아폴로 실험

과학기술

50년째 계속되는 아폴로 실험
달 레이저 반사장치, 지금도 사용되고 있어

2019.08.02 13:08 심창섭 객원기자

왼손으로 지진계(PSEP), 오른손으로 레이저 반사장치(LR3)를 들고 이동 중인 버즈 올드린 © NASA

아폴로 11호가 달에서 돌아온 지 50년이 지났다. 지난 7월 24일, 미항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL)는 아폴로 우주비행사들이 달 표면에 남겨둔 레이저 실험 장치를 지금도 계속 사용 중이라고 밝혔다.

달 착륙 당시 닐 암스트롱과 버즈 올드린은 월면에 두 가지 과학실험 장치를 설치했다. 그중에서 ‘수동형 내진실험 패키지(Passive Seismic Experiments Package, PSEP)’는 아쉽게도 통신에 실패하여 아폴로 12호가 ‘PSE’라는 개선 모델을 설치한 뒤에야 달 지진을 관측할 수 있었다. 반면에 지구와 달 사이의 거리를 측정하기 위한 ‘레이저 거리측정 반사장치(Laser Ranging Retro-Reflector, LR3)’는 정상적으로 작동했다.

아폴로 계획에서는 11호 이외에도 14호, 15호가 레이저 반사장치를 가져가서 모두 3개를 달에 설치했다.

아폴로 14호가 설치한 LR3 © NASA

아폴로 14호는 11호와 동일한 LR3 장치를 가져갔다. 반사경은 100개의 석영유리 프리즘 배열로 구성되어서 빛을 보내온 광원으로 돌려보낼 수 있게 설계되었다. LR3는 전력이 필요 없는 간단한 구조이므로 수명이 길고, 먼지만 쌓이지 않으면 계속 사용할 수 있다.

아폴로 15호의 LR3는 프리즘이 300개였다. 이전 것들보다 3배나 컸기 때문에 전체 레이저 실험에서 4분의 3을 수행할 계획이었지만, 이후 기술 개선으로 오히려 11호와 14호의 작은 LR3를 더 많이 사용하게 되었다.

고다드 우주센터에서 LR3에 레이저를 반사하는 실험 모습 © NASA

지구에서 출발한 레이저가 달의 반사경에 부딪혀 되돌아올 때까지의 시간을 측정하면 지구와 달 사이의 거리를 수 mm 정밀도로 구할 수 있다. 몇 년에 걸친 관측으로 달이 매년 3.8cm씩 지구로부터 멀어지고 있다는 사실을 알아냈고, 반사된 레이저를 분석해서 달 내부에 유체 상태의 핵이 존재한다는 것을 발견했다.

달의 기조력에 의해서 지구에서는 조수간만의 차가 발생한다. 반면에 바다가 없는 달에서는 지구의 기조력으로 월면이 변형되어 매달 15cm씩 오르내린다. 이러한 사실도 LR3를 활용해서 밝혀낸 것이다.

또한, 반사장치는 아인슈타인의 중력 이론을 뒷받침하기 위해 사용되고 있다. 아인슈타인의 이론에서는 “중력의 세기는 천체의 조성 물질에 의존하지 않는다”고 가정한다. 만약 이 가정이 잘못된 것이라면 지구와 달, 태양의 중력에 차이가 생겨 달의 궤도에 영향을 미칠 것이다. 그러나 레이저 실험 데이터에서는 이론의 오류를 찾아낼 수 없었다.

루노호트 1호. 전면에 작은 레이저 반사판이 부착되어 있다. © Roscosmos

미국 이외에도 구소련의 루노호트 1호, 2호 탐사 로버가 레이저 반사장치를 갖췄었다. 그러나 아폴로의 LR3에 비해 매우 작은 크기라서 정확한 위치를 파악하지 못하면 사용하기 어렵다. 지금까지 인류는 아폴로와 루노호트를 합쳐서 5개의 레이저 반사장치를 달에 보냈다.

1970년 착륙한 루노호트 1호는 1971년 이후로 레이저 반송 신호가 감지되지 않았지만, 2010년 캘리포니아 대학의 연구팀이 위치를 발견해서 신호 검출에 다시 성공했다. 루노호트 2호는 1973년부터 지금까지 계속 신호를 반사하고 있다.

베레시트, 찬드라얀 2호에 탑재된 LRA © NASA/GSFC

지난 4월, 달 착륙에 실패한 이스라엘의 베레시트 탐사선에는 NASA가 제공한 ‘소형 레이저 반사장치(Laser Retroreflector Arrays, LRA)’가 장착되어 있었다. 아폴로 LR3와 비슷한 프리즘이 사용되었지만, 그 숫자가 8개에 불과하다. 그간 기술이 발전해서 작은 반사경으로도 실험이 가능해졌다.

오는 9월 7일 달 착륙을 시도할 인도 찬드라얀 2호의 비크람 착륙선에도 똑같은 LRA가 탑재되었다. 만약 착륙에 성공하면 달 남극 인근의 레이저 거리 측정 실험을 수행할 예정이다.

달 착륙선에 탑재된 LLRRA-21 실제 크기 모형. 상단의 경통이 반사경이다. © Epner Technology

미국 메릴랜드 대학과 이탈리아 국립연구소는 NASA의 지원으로 새로운 레이저 반사장치를 공동 개발 중이다. ‘문라이트(Lunar Laser Ranging Retroreflector Array for the 21st Century, LLRRA-21)’는 햇빛 차단용 경통 안에 대형 프리즘이 들어있는 구조로 설계되었다.

민간 우주 기업 ‘문 익스프레스(Moon Express)’가 개발 중인 MX-1E 착륙선은 LLRRA-21를 탑재하고 2020년 달 남극지방에 착륙할 예정이다. 연구자들은 LLRRA-21이 달 물리학 및 일반 상대성 이론에 관한 지식의 정확성을 10배에서 100배까지 향상시킬 것으로 기대하고 있다.

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