빛의 속도로 하루 거리에 도달한 보이저 1호의 항해

[보이저 1호 발사 장면]

1977년 미국에서 발사된 이후 약 50년 동안 우주를 항해해 온 보이저 1호(Voyager 1)가 마침내 빛(전파)의 속도로 하루가 걸리는 거리에 도달했습니다. 탐사선은 지금도 심우주 통신망(DSN, Deep Space Network)을 통해 지구의 명령을 수신하고 관측 데이터를 전송하고 있습니다.

보이저 1호에 실린 골든 레코드(The Golden Record)는 외계 지적 생명체나 먼 미래의 인류에게 지구 문명과 생명체의 존재를 알리고자 제작된 금도금 구리 음반 형태의 타임캡슐입니다. 천문학자 칼 세이건(Carl Sagan) 박사가 이끈 NASA 위원회의 주도로 제작되었으며, 주요 수록 내용은 다음과 같습니다.

• 지구의 소리와 환경음: 파도, 바람, 천둥소리, 동물 울음소리, 기차 및 로켓 발사 소리 등 20여 종의 환경음

• 음악: 바흐, 베토벤, 모차르트 등의 클래식 명곡부터 척 베리(Chuck Berry)의 로큰롤, 루이 암스트롱의 재즈, 각국의 전통 민속 음악 등 총 27곡

• 인류의 메시지: 고대 아카드어·수메르어부터 현대어까지 55개 언어로 녹음된 음성 인사말, 지미 카터 미국 대통령과 쿠르트 발트하임 UN 사무총장의 서면 메시지

• 과학 데이터 및 이미지: 태양계 구조, 수학 공식, DNA 구조, 인간 해부도, 자연 풍경, 건축물, 일상 문화를 담은 115장의 아날로그 사진 및 다이어그램

• 뇌파·생체 기록: 앤 드루얀(Ann Druyan, 칼 세이건의 아내)이 사랑에 빠진 순간의 생각과 감정을 기록한 1시간 분량의 뇌파 및 심장 박동 신호

이 타임캡슐은 우주의 진공과 방사선 환경 속에서도 수십억 년 동안 원형을 유지하도록 금도금 알루미늄 보호 커버로 밀봉되었습니다. 커버 표면에는 중성자별(펄서, Pulsar)의 위치를 기준으로 한 지구의 좌표와 레코드 재생 방법이 기호로 각인되어 있습니다.

칼 세이건은 *"이 병에 담긴 편지가 광대한 우주의 바다를 건너 언젠가 발견된다면, 그것은 지구 문명의 존재와 희망을 전하는 가장 아름다운 유산이 될 것"*이라고 그 의의를 밝혔습니다.

빛과 거리로 이해하는 우주의 스케일

보이저 1호가 도달한 '빛으로 하루 거리'의 물리적 규모를 이해하기 위해 일상적인 속도와 비교해 보겠습니다.

서울에서 부산까지의 거리(약 400km)는 시속 100km 자동차로 약 4시간이 걸립니다. 지구 둘레(약 40,000km)는 자동차로 쉬지 않고 달리면 약 17일(400여 시간), 시속 1,000km 여객기로는 40여 시간이 소요됩니다. 지구가 24시간마다 한 바퀴 자전하므로, 적도 부근의 지구 자전 속도는 일반 여객기보다 빠릅니다.

지구는 태양 주위를 공전하는 행성(수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성) 중 하나입니다. 지구의 유일한 위성인 달은 약 38만 km 떨어져 시속 3,680km(초속 약 1.02km)로 공전하며, 1회 공전에는 약 27.3일이 걸립니다. K2 소총 탄환의 총구 속도가 약 초속 960m(0.96km/s)이므로, 달은 소총 탄환보다 빠른 속도로 지구를 돌고 있는 셈입니다.

지구 표면에서 쏘아 올린 물체가 중력을 벗어나 우주로 나가려면 초속 11.2km(지구 탈출 속도)에 도달해야 합니다(태양 중력권 탈출 속도는 약 초속 617.5km). 반대로 우주 공간의 물체가 지구 중력에 이끌려 대기권으로 낙하할 때도 표면 근처에서 최소 초속 11.2km 이상으로 가속됩니다. 지름 1km급 소행성이 지구에 충돌할 때 발생하는 운동에너지가 과거 공룡을 멸종시켰던 것처럼 지구 생태계를 괴멸시킬 수 있는 이유가 바로 이 엄청난 충돌 속도 때문입니다.

빛은 초속 약 30만 km로 이동하며, 우주에서 빛보다 빠른 것은 존재하지 않습니다. 빛은 1초 만에 지구를 7바퀴 반 돌 수 있고, 지구에서 달까지는 1.3초 만에 주파합니다.

[보이저 1호의 목성 궤도 통과 상상도]

태양에서 출발한 빛이 약 1억 5천만 km(1AU) 떨어진 지구에 도달하는 데는 8분 20초가 걸립니다. 주요 천체까지 빛이 이동하는 시간과 인류 탐사선의 비행시간을 비교하면 다음과 같습니다.

• 화성: 빛으로 약 12.5분 (탐사선 6~9개월 소요)

• 목성: 빛으로 약 43분 (탐사선 2~6년 소요)

• 토성: 빛으로 약 1시간 20분 (탐사선 3~7년 소요)

• 천왕성: 빛으로 약 2시간 40분 (탐사선 8.5~10년 소요)

• 해왕성: 빛으로 약 4시간 10분 (탐사선 약 12년 소요)

• 카이퍼벨트: 빛으로 약 4~7시간 (탐사선 10~15년 소요)

• 오르트 구름 내부 경계: 빛으로 약 11.5일~29일 소요

• 오르트 구름 외부 경계: 빛으로 약 0.8년~1.6년 소요

보이저 1호의 현재 상태와 원격 수리

현재 보이저 1호는 지구로부터 약 256억 km(약 171 AU) 떨어진 곳에 있습니다. 신호를 보내면 전파 속도로 편도 약 23시간 44분, 송수신 왕복에는 약 이틀(47시간 30분)이 걸립니다. 탐사선 송신기의 출력은 가정용 냉장고 전구 수준인 20W에 불과해 지구에 도달할 때 신호가 극도로 약해지지만, NASA는 직경 70m급 거대 DSN 안테나를 통해 이를 증폭·수신하고 있습니다.

최근 온보드 비행 데이터 시스템(FDS) 메모리 오류와 추진기 배관 문제 등으로 통신 단절 위기가 있었으나, NASA 엔지니어들이 지구에서 소프트웨어 코드를 재배치하고 예비 추진 장치로 전환하는 원격 복구에 성공하며 교신을 재개했습니다.

[카이퍼벨트를 통과하는 보이저 1호 상상도]

보이저 1호의 전원인 플루토늄 원자력 전지(RTG) 출력은 매년 약 4W씩 자연 감소하고 있습니다. NASA는 통신 유지를 위해 카메라를 비롯한 부가 장비의 전원을 차단하고, 자기장 측정기(MAG), 플라스마 파동 감지기(PWS) 등 필수 과학 장비만 제한적으로 가동 중입니다. 과학 관측은 전력 한계로 점차 축소되겠으나, 탐사선의 생존을 알리는 기본 엔지니어링 신호는 2030년대 중반(2036년 전후)까지 유지될 것으로 기대됩니다.

태양계 경계와 머나먼 성간 항해

태양풍 입자와 자기장이 지배하는 영역을 태양권(Heliosphere)이라 합니다. 보이저 1호는 2012년 8월, 태양풍과 성간 물질의 압력이 균형을 이루는 경계인 태양권계면(Heliopause)을 통과했습니다. 이 지점부터 주변 환경의 자기장과 플라스마 밀도가 성간 물질 특성으로 전환되었으므로, 물리적 환경 기준으로는 이미 태양계를 벗어나 성간 공간(Interstellar Space)에 진입했습니다.

하지만 중력적 관점에서 볼 때 태양계의 최외곽은 수많은 얼음 미행성체가 띠를 이룬 오르트 구름(Oort Cloud)까지를 포함합니다. 오르트 구름은 태양으로부터 약 2,000~5,000 AU에서 시작하여 최대 100,000 AU(약 1.5광년)까지 펼쳐져 있습니다. 약 171 AU 거리에 있는 보이저 1호는 아직 오르트 구름 초입에도 진입하지 못했으며, 이를 완전히 벗어나는 데는 약 3만 년이 더 걸릴 예정입니다.

[태양계와 오르트 구름의 구조 / 출처: MARK GARLICK, Getty]

보이저 1호는 기린자리(Camelopardalis) 방향의 항성 글리제 445(Gliese 445, AC+79 3888)를 향해 항해 중입니다. 지금으로부터 약 40,000년 후, 글리제 445로부터 약 1.6광년(약 9조 3,000억 km) 떨어진 공간을 스쳐 지나갈 예정입니다. 글리제 445는 지구에서 약 17.6광년 떨어진 태양 질량 1/4~1/3 수준의 어두운 적색왜성으로, 이 별 또한 태양계를 향해 접근하고 있어 비교적 빠른 시간 내에 근접하게 됩니다.

보이저 1호는 특정 항성에 충돌하거나 공전 궤도에 들어가지 않고, 글리제 445를 스쳐 지나간 뒤 은하계 중심을 도는 궤도를 따라 수억 년 동안 영원한 성간 항해를 이어갈 것입니다.

김대성 기자 [email protected]