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이중 소행성 방향 전환 테스트 - DART 미션

2002년 9월, 미항공우주국(NASA)의 이중 소행성 방향 전환 테스트 (DART: Double Asteroid Redirection Test) 미션 우주선은 소행성에 충돌하여 소행성의 궤도를 의도적으로 변경하는 첫 번째 행성 방어 시험에 일차적으로 성공했음을 알린 바 있다. (관련 기사 바로 가기 - 제임스 웹과 허블이 잡아낸 DART와 소행성의 충돌)

이처럼 DART의 성공은 이전에도 이미 보고된 바 있지만 이후 과학자들은 위 충돌이 남긴 여파를 분석하여 이러한 방법이 얼마나 효과적인지, 궁극적으로 이러한 미션으로 지구를 위기에서 구할 수 있는지 분석했다. 이번 네이처지에 실린 총 5편의 연구는 충돌의 마지막 순간과 충돌이 소행성에 어떤 영향을 미쳤는지 자세히 설명하고 있다.

미항공우주국의 표현에 따르면 ‘겨우 골프 전통 카트 크기’의 DART 탐사선은 ‘큰 피라미드 크기’의 소행성 디모르포스와 충돌했다. 디모르포스는 폭이 151 m에 달하며 더 큰 소행성 디디모스 궤도를 돌고 있다. 참고로, 위 두 소행성 모두 지구를 위협하는 존재가 아니며 앞으로도 그럴 일은 발생하지 않을 것이다.

미항공우주국은 위 프로그램의 최종 목표를 “천문학자들이 지상 망원경을 사용하여 시간이 지남에 따라 두 소행성의 밝기를 관찰하여 궤도가 변했음을 발견할 수 있을 정도로 디모르포스의 궤도를 변경하는 것”으로 정한 바 있다.

9월 26일 DART 탐사선이 디모르포스 소행성에 접근하며 촬영한 이미지에는 ‘바위로 덮인 달걀’과 같이 보이는 소행성의 모습이 담겨 있다. 중력에 의해 간신히 붙어있는 느슨한 잔해 더미처럼 보이며, DART가 충돌하면 표면이 멋지게 산산조각이 날 운명이었다.

이번에 새롭게 네이처지에 실린 총 5편의 다섯 가지 연구 결과 - DART는 얼마나 성공적이었을까?

첫 번째로 발표된 연구(관련 논문 바로 보러 가기)에 따르면, 탐사선의 소행성 충돌 때문에 위 소행성 궤도가 축소되었으며, 현재 디모르포스는 충돌 전보다 33분 더 빠르게 궤도를 돌고 있음이 밝혀졌다. 이는 지구로 향하는 위험한 소행성(NEOs: near-Earth objects)이 발견될 경우, 이를 탐사선과 충돌시키는 임무를 통해서 지구에서 멀어지게 할 수 있음이 가능함을 의미한다.

충돌 후 디디모스 시스템의 레이더 범위 도플러 이미지 변화 관측도, 이를 통해서 현재 디모르포스는 충돌 전보다 33분 더 빠르게 궤도를 돌고 있음이 밝혀졌다. © Thomas et al. 2023

두 번째 연구(관련 논문 바로 보러 가기)는 우주선의 궤적 데이터와 충돌 직전의 소행성 표면 사진을 결합했으며, 이를 통해서 DART가 초속 6 km 이상의 속도로 디모르포스를 향해 돌진할 때 가장 먼저 부딪힌 부분은 태양 전지판 중 한 부분이었고 이 패널은 폭 6.5 m의 바위에 부딪혔음을 알아냈다. 그리고 몇 초 후, 우주선 본체가 바위 옆의 암석과 충돌했고, 한화로 약 4,500억 원짜리 DART 탐사선은 산산조각이 났음을 알아냈다.

우주선의 궤적 데이터와 충돌 직전의 소행성 표면 사진을 결합하여 충돌 부위 확인 © Daly et al. 2023

세 번째 연구(관련 논문 바로 보러 가기)는 위 충돌로 인해 디모르포스에서 최소 100만 kg(1,000톤)에서 43억 kg에 달하는 암석들이 분출되었으며, 위 파편은 소행성 뒤로 수만 킬로미터에 걸쳐 뻗은 꼬리를 형성했음을 밝혀냈다. 마치 혜성과 같은 모습이다.

여러 망원경이 태양 광선의 압력으로 꼬리가 이동하고 진화하는 과정을 몇 주에 걸쳐 관찰했으며, 허블 우주 망원경은 충돌 후 18일이 지나자 사라진 두 번째 꼬리까지 감지한 바 있다.

마치 혜성과 같이 꼬리를 형성한 디모르포스 © Li et al. 2023

존스 홉킨스 대학교 응용 물리학 연구소의 행성 과학자 캐롤린 에른스트 박사(Dr. Carolyn Ernst)는 더 많은 세부 결과를 파악함으로써 과학자들이 소행성 충돌 실험이 얼마나 성공적이었는지 이해하는 데 도움이 되고 있다고 설명한다.

한 가지 중요한 사실은 DART 탐사선이 소행성 중심에서 약 25m 떨어진 지점에 충돌하여 충돌의 힘을 극대화했다는 점이다. 또한, 충돌 때문에 많은 양의 소행성 잔해가 바깥쪽으로 날아갔다.

네 번째 연구에서는 (관련 논문 바로 보러 가기) 이러한 충돌에 대한 힘의 반동 때문에 소행성은 이전 궤도에서 더 멀리 떨어졌으며, 이 잔해의 분사로 디모르포스의 추가 추진력이 DART 탐사선에 의해 부여된 추진력의 거의 4배에 달했다고 추정하고 있다.

충돌 후 156초 후의 접근 관찰, 분출물(혹은 이젝타: 특정 지역에서 배출되는 입자들)들이 디모포스 앞에서 발견되며 부분적으로 가리고 있다 (왼쪽 사진), 충돌 후 175초 후 근접 접근 후의 분출 형태를 보여주고 있으며, 디모포스가 실루엣으로 보이고 있다 (오른쪽 사진) © Cheng et al. 2023

천문학자들과 과학자들은 디모포스와 디디모스의 물리, 화학, 지질학에 대해 더 자세히 알아보기 위해 DART 데이터를 계속해서 연구하고 있다. 주목할 만한 점은 위 작업이 주로 SETI 연구소 프랭크 마키스 박사(Dr. Franck Marchis)가 이끄는 아마추어 천문학자 네트워크의 도움으로 이루어지고 있다는 점이다.

미국, 일본, 호주, 홍콩, 프랑스 등 전 세계 각지에서 충돌 후 절대 광도 비교 © Graykowski et al. 2023

네트워크 회원들은 충돌 전, 충돌 중, 충돌 후에 망원경으로 소행성들을 관찰했으며 그들의 발견 결과 탐사선이 소행성에 충돌한 직후 소행성이 훨씬 더 붉어지는 것(천문학에서는 색깔을 두 필터 사이의 등급 차이로 설명하며 이는 온도와 연관이 있음: 따라서 실생활에서 설명하는 색깔보다 객관적인 용어가 될 수 있으며 일반적으로 빨간색은 긴 파장, 즉 낮은 온도를 나타내며 파란색은 짧은 파장, 즉 높은 온도를 나타냄)처럼 보인다는 것을 발견해서 위 결과는 다섯 번째 논문에 (관련 논문 바로 보러 가기) 실렸다.

2022년 12월 노던 애리조나 대학교 행성 과학자 크리스티나 토마스 박사(Dr. Cristina Thomas) 역시 하와이의 적외선 망원경 시설을 이용하여 추후 관측 결과 소행성이 푸른색을 띠는 것을 발견했다. 이에 관해서 토마스 박사는 디모르포스에서 많은 수의 작은 물질이 떨어져 나갔기 때문일 가능성이 높다고 설명하며, 충돌로 소행성의 풍화 된 내부가 폭발하였고 내부 일부가 노출되며 충돌 후 몇 시간 동안 소행성이 일시적으로 파란색으로 보인 것으로 주장한다.

미래를 위한 그리고 지구를 지킬 수 있는 과학 기술

미항공우주국은 단 하나의 소행성에서만 이 기술을 시연했지만, 과학자들은 이 결과가 미래의 위험에 광범위하게 적용될 수 있다고 주장한다.

워싱턴 DC에 있는 미항공우주국 본부의 DART 프로그램 과학자 톰 스태틀러 박사(Dr. Tom Statler)는 30년 전의 본인에게 “다음 주 화요일부터 일주일 후에 거대한 소행성에 의해 우리 인류가 과거 공룡이 그랬던 것처럼 멸망하지 않을 것이라고 확신할 수 있습니까?”라고 물었다면 아니라고 대답해야 했을 것이지만, 현재는 상당히 긍정적이라고 견해를 밝혔다.

이는 먼저 많은 천문학자가 하늘을 조사하여 위험한 소행성들을 거의 모두 찾아냈고, 이제 DART 탐사선이 제대로 작동하는 것이 밝혀졌으므로 새로운 소행성이 발견되면 어떻게 행동해야 하는지 알 수 있기 때문이다.

아직 끝이 아니다 - HERA 미션

2026년 말 유럽우주국(ESA)의 탐사선 HERA(헤라) 탐사선이 디모포스에 도착하면 충돌의 여파를 더 자세히 볼 수 있을 것이다. 디디모스와 디모르포스가 지구에서 멀어지며 태양 뒤로 사라지기 전까지 상세한 과학적 관찰이 계속될 것이지만, 천문학자들은 헤라 탐사선에 더 큰 기대를 걸고 있다. 특히, 과학자들은 DART 충돌이 어떤 종류의 충돌 크레이터를 남겼는지 궁금해하고 있다.

네이처지는 연구 결과를 조기에 확인할 수 있도록 다섯 개의 논문 원고의 편집되지 않은 버전을 제공하고 있으며, 최종 출판 전에 원고 추가 편집 과정을 거치게 됩니다. 따라서 모든 그림에 "ACCELERATED ARTICLE PREVIEW (빠른 기사 미리 보기)" 문구가 포함된 점 양해 부탁드립니다.

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