[북툰] 인류 최초! 미지의 금속성 소행성에 우주선 보내기

 

 

인류는 지난 60여 년 동안

태양계 천체들을 탐사해 왔습니다.

1959년 최초의 달 탐사선을 시작으로

암석형 행성들과 가스형 행성들

그리고 그보다 작은 왜소행성과 위성, 소행성과 해성에 까지

무인 우주선을 보냈습니다.

 

덕분에 우리는 태양계 천체들의 많은 영역을 알게 되었습니다.

그럼에도 불구하고 아직 가보지 못한 미지의 영역도 남아 있습니다.

 

그중 하나는 우주에 떠다니는 거대한 금속 덩어리

바로 금속형 소행성입니다.

소행성은 주요 성분에 따라 크게 세 가지로 구분됩니다.

탄소가 많은 C형 소행성

석질이 많은 S형 소행성

그리고 금속 성분이 많은 M형 소행성입니다.

C형 소행성은 전체 소행성의 약 75% 차지할 정도로 그 수가 많습니다.

 

미국의 오시리스 렉스 탐사선과 일본의 하야부사 2호가

샘플을 채취했던 소행성들도 모두 C형 소행성입니다.

S형 소행성은 전체 소행성의 약 17%를 차지하는데

지구로 떨어지는 운석 대부분이 이 S형 소행성의 파편입니다.

 

M형 소행성은 비중이 약 8% 불과하지만, 연구 가치가 높습니다.

태양계가 처음 형성되던 때 뜨거운 암석형 행성에서는

금속 성분이 안쪽으로 녹으면서 중심부의 핵을 형성했습니다.

 

이 중 어떤 암석형 행성들은

지구처럼 거대한 행성으로 성장했지만

또 다른 암석형 행성들은 더 이상 성장하지 못한 채

조각조각 부서져 소행성 무리로 남았습니다.

 

행성이 되다만 미행성의 파편 중 금속성 핵에서 떨어져 나온 것이

바로 M형 소행성입니다.

 

금속성 물질은 자기장의 원천입니다.

지구도 금속성 내핵에서 발생한 자기장 덕분에

대기가 형성되고, 생명체가 거주하는 행성이 되었습니다.

 

이처럼 중요한 지구의 핵을 직접 관찰하기란 불가능에 가깝습니다.

지구의 금속성 핵이 어떻게 생겼는지 보려면

같은 시기에 형성된 금속성 소행성으로 가는 게 최선입니다.

 

소행성 16 프시케는

그동안 발견된 M형 소행성 중 가장 크고 무거운 소행성에 속합니다.

소행성은 발견된 시점부터 번호가 하나씩 붙는데

16 프시케는 우리 인류가 발견한 16번째 소행성이 뜻입니다.

 

만약 프시케에 우주선을 보낼 수 있다면

인류는 단 한 번도 들여다보지 못한

지구 내핵에 대한 귀중한 정보를 캐낼 수도 있습니다.

 

게다가 프시케에는

금이나 니켈 같은 값비싼 금속이 거대한 덩어리째 존재합니다.

채굴만 할 수 있다면

M형 소행성의 M은 메탈이 아닌 머니로 바뀔지도 모르겠습니다.

 

 

미항공우주국 있는 크게 세 가지 행성 탐사 프로그램이 있습니다.

그중 1990년부터 시행된 디스커버리 프로그램은

상대적으로 작은 수준의 탐사 임무를 수행합니다.

 

기존의 나사 프로그램들이

임무를 미리 정해 놓고 이를 수행할 입찰자를 찾았다면

디스커버리 프로그램은

입찰자들의 자유로운 임무를 제출하게 한 다음

그중 가장 경쟁력 있는 임무를 선정한다는데 차이가 있습니다.

 

입찰자, 즉 디스커버리 프로그램의 참가 대상은

과학자와 대학, 산업계와 민간 연구소 등 다양합니다.

참가자들은 마치 서바이벌 프로그램처럼

치열한 경쟁과 혹독한 심사를 거치면서

우승을 향해 나아갑니다.

 

나사는 마지막 남은 최종우승팀에게

자금을 지원하면서 우승자가 원했던 과학탐사 임무를 수행하게 합니다.

 

행성 과학자 린디 엘킨스탠턴은

미시의 금속성 소행성 프시케의 탐사 가치를

일찌감치 알아챈 사람 중 하나였습니다.

엘킨스탠턴은

애리조나 주립대학교의 지구 및 우주탐사 학부 학과장으로 일하면서

동시에 프시케 연구팀을 지휘했습니다.

 

프시케 팀은 2011년에 처음으로

프시케 탐사 아이디어를 나사에 제한하고

2015년 1월에 정식으로 디스커버리 프로그램에 1단계 제안서를 제출했습니다.

 

1단계 제안서에는

우주선 설계와 제작의 어떤 시스템 엔지니어링을 도입할 건지

핵심 측정 장비가 얼마나 많은 데이터를 재전송할 수 있는지

우주선이 어떻게 작동하고 어떤 궤도로 소행성 주위를 돌 건지

새로운 과학기술이나 연구팀 관리 방법은 어떤지 등이 담겼습니다.

 

프시케 팀과 같은 시기에 1단계 제안서를 제출한 팀은

모두 28개 팀이었습니다.

2단계가 되면 이들 중 대부분이 탈락하고

다섯 개 팀만 살아남습니다.

 

그리고 마지막 단계에서 최종 우승자가 결정됩니다.

2015년 9월 프시케 팀은

2단계로 진출한 다섯 팀 중 하나가 되었습니다.

프시케 팀과 함께 살아남은 팀은

금성 탐사 두 개 팀, 또 다른 소행성 탐사팀

그리고 지구 충돌 가능성이 있는 소행성을 찾는 적외선 우주 망원경팀입니다.

 

2단계 다섯 팀은

이제 나사로 부터 연구자금을 지원받으면서 최종 경선을 준비합니다.

 

2단계에 진출한 팀이 제일 먼저 해야 할 일은

콘셉트 연구 보고서를 작성하는 것입니다.

 

콘셉트 연구 보고서란

1단계 제안서에서 드러난 세부적인 문제가 해결된

방대하고 완성된 형태의 프로젝트 보고서를 말합니다.

약 9개월 동안에 연구 끝에

콘셉트 연구 보고서를 작성하고 나사에 제출하면

몇 달 뒤 최종 경연이 펼쳐집니다.

최종 경연은 나사의 검토 위원들 앞에서

질의응답을 하는 발표 형식으로 치러집니다.

 

프로젝트를 따내려면 이 발표가 중요합니다.

보고서의 완성도는 말할 것도 없겠지만

보고서를 작성한 팀이

해당 프로젝트를 끝까지 완수할 열정과 전문 지식을 갖춘 사람들임을

발표 현장에서 확신시켜 주지 못한다면

우승은 물 건너갑니다.

 

프시케 팀 40여 명은

제트추진연구소의 회의실을 하나 빌려 1년 가까이 함께 연구했습니다.

프로젝트의 가장 핵심적인 부분들을 선정하고

이를 효과적으로 강조하기 위해 모의 발표를 반복했습니다.

 

프시케 팀은 발표 3개월 전에 컨셉트 연구 보고서를 제출했습니다.

그리고 발표 6주 전부터는 팀원들이 합숙하면서

발표 준비에 전력을 쏟았습니다.

 

발표 일주일 전이 되자

나사로 암호화된 이메일이 도착했습니다.

프시케 팀의 연구 보고서를 검토한 나사의 검토 위원회가

발표 전에 보낸 사전 질문서입니다.

 

질문은 모두 31개였습니다.

10개는 발표 이틀 전에 서면으로 응답해야 하고

아홉 개는 발표 당일 아침에 서면으로 답해야 합니다.

나머지 12개는 발표 중에 직접 답을 해야 합니다.

 

준비를 완벽하게 한 팀이라면

일주일 안에 모든 질문에 무난히 대답할 것입니다.

하지만 부분의 질문은

마치 상대방의 수를 훤히 알고 있었다는 듯이

프시케 팀의 예상을 빗나가는 내용들이었습니다.

 

예를 들어

우주선의 관측 장비와 관련해 팀이 예상한 질문은

최신 측정기구에 관한 것들이었지만

나사의 질문은

이미 검증된 기존의 영상 장치와 자력계에 집중되어 있었습니다.

 

아무리 검증된 기기라도

우주선의 기본적인 장치에 문제가 발생하면

프로젝트는 실패로 돌아갈 수밖에 없습니다.

 

나사는 질문서를 통해 팀의 잠재적 약점들을 지적한 것입니다.

결국 예정에 없던

자력계 연구자와 영상 장치 연구자가 급하게 발표 준비를 해야 했습니다.

팀에게 가장 고민거리인 질문은

프시케 소행성의 자기장에 대한 것이었습니다.

 

“콘셉트 연구 보고서에서

프시케 소행성의 자기권이 존재한다고 예상했지만

자기장이 예상보다 큰 폭으로 높아지는 경우에 대한 위험은 언급하지 않았다.

이러한 잠재적 위험 요인들이 발생한다면

장비와 비행 시스템 전반에 걸쳐

방사선 내성 부품을 사용하도록

주요 하드웨어를 재설계할 필요가 있다.

이는 전체 프로젝트의 재설계로 이어지는 큰일이다”

 

프시케 소행성의 금속 물질 비중은 30~60% 달합니다.

이 때문에 컨셉트 연구 보고서에도

소행성에 활발한 자기장이 있을 가능성을 언급했습니다.

하지만 계산 결과

자기장의 세기가 우주선에 위협이 될 만큼 크지 않은 것으로 나타나

추가적인 위협 요인까지 다루지 않았습니다.

 

검토 위원들은 바로 그 점을 지적한 것입니다.

프시케 탐사선은 만에 하나

자기장에 의해 가속된 입자 사이에서도 효과적으로 비행해야 했습니다.

미지의 소행성이 지닌 미지의 자기장은

그곳을 탐험해야 할 이유이기도 하면서

동시에 프로젝트를 탈락시킬 수 있는 위협 요인이기도 했습니다.

남은 일주일 동안 프시케 팀은

자기장에 의한 잠재적 위협 요인들을 모두 검토했습니다.

 

2016년 11월 8일

드디어 발표날 아침이 밝았습니다.

발표 장소인 제트 추진 연구소의 건물에

프시케 팀원들과 나사의 검토위 의원들이 속속 도착했습니다.

오전 8시가 되자

팀의 수석 연구원 린디 엘킨스탠턴이 먼저 발표를 시작했습니다.

엘킨스탠턴은 검토 위원들이

미지의 금속 전체에 대해 뜨거운 관심을 가질 수 있도록

탐사 목적과 과학적 가치를 열정적으로 설명했습니다.

 

검토 위원들은 프로젝트의 내용이나

엘킨스탠턴의 리더십을 의심하는 질문은 던지지는 않았습니다.

다만 학과장으로 일하는 팀의 리더가

이 프로젝트에 끝까지 뛰어들 시간이 충분히 있는지를 확인하고자 했습니다.

 

수석 연구원의 발표가 끝난 뒤에는

팀원들의 전문 분야 발표가 이어졌습니다.

그리고 오전 10시 30분

드디어 프시케 소행성의 자기권에 대한 발표가 시작되었습니다.

 

“우주 탐사선이 위험에 처할 경우라면

프시케 소행성의 에너지 수준이 매우 높은 자기권이 존재해서

소행성 주변의 입자들이 머무르는 경우뿐입니다.

이런 자기권 존재에 영향을 미치는 요소는 3가지입니다.

-소행성 표면의 자화

-자기장의 기하학적 성질

-물체(소행성)의 크기가 바로 그것입니다.

프시케 소행성은 철로 이루어진 운석처럼 자성을 가질 수 있지만

그러한 자기장의 기하학적 성질과 소행성의 크기를 고려하면

에너지 수준이 높아

해로운 환경을 조성할 가능성은 극히 낮습니다.

그렇기 때문에 주요 하드웨어나 프로젝트 전반에 재설계가 필요하지는 않습니다.”

 

답변을 듣고 있던 검토 위원 중 한 명이 질문을 던졌습니다.

“그렇다면 전하를 뛴 입자가 자기권에 갇힐 가능성에 대한 계산은

얼마나 정밀하게 이루어졌나요?

가능성 있는 모든 에너지 수준에 대해 검토하지 않았다는 점이 걱정됩니다”

 

프시케 팀이 일주일 내내

자기권의 모든 잠재적 위험을 검토한다고 했지만

그럼에도 불구하고 예상치 못한 질문이 튀어나온 것입니다.

 

모든 에너지 수준에 대해 답하려면

정밀한 계산이 필요합니다.

프시케 팀은 해당 답변에 대해 오후 발표로 연기 요청을 하고

다른 발표가 진행되는 사이 회의장 밖에서 두 시간 동안 정밀한 계산을 했습니다.

 

만약 프시케 팀이 방금 마친 새로운 계산 결과를 제시하면서

우주 탐사선이 가속된 입자로부터 안전하다는 점을

위원들에게 납득시킬 수 없다면

그것만으로도 이 프로젝트는 취소될 수 있었습니다.

 

프시케 프로젝트의 운명은

팀의 자력계 담당 전문가인 벤 와이스의 발표에 달려 있었습니다.

“우리는 고에너지 입자의 수준에 따라 3가지 가능한 경우를 가정하고

각각에 대해 정밀한 계산을 마쳤습니다.

-1. 먼저 가장 강력한 고에너지 입자를 가정하는 최악의 경우에도

자기장의 공간적 크기가 아주 작기 때문에

특정 에너지 수준 이상의 양성자는 갇히지 않습니다.

-2. 그보다 에너지 수준이 낮아 양성자가 갇혀 있는 경우에도

양성자를 가속할 만큼 자기권이 크지 않습니다.

-3. 마지막으로 갇혀 있는 전자라 해도

역시 에너지 수준이 높아질 수 없습니다”

 

발표 중에 한차례 말실수가 있긴 했지만

벤 와이스의 계산식은 정확했습니다.

자기권에 대한 답변이 끝나고

나머지 질문에 대한 답변도 모두 끝났습니다.

 

오후 4시 30분이 되자 프시케 팀의 발표가 종료되었습니다.

이제 팀원들은 각자의 집으로 돌아가 최종 결정을 기다려야 합니다.

 

 

 

대부분의 우주 탐사 프로젝트는

장기간의 헌신을 필요로 합니다.

팀원 개개인에게 그 시간의 규모는 엄청납니다.

제안서를 통과시키기까지 6년이 걸릴 수도 있고 16년이 걸릴 수도 있습니다.

그렇게 많은 시간을 들이고도 선정되지 않을 위험을 감수해야 합니다.

프로젝트로 선정된 뒤에도 헌신은 계속됩니다.

 

우주선을 발사한 뒤 아폴로 프로젝트처럼

짧으면 몇 년이 걸리는 임무도 있지만

명왕성 탐사선 뉴호라이즌스호처럼 수십 년이 걸리는 임무도 있습니다.

태양계 밖으로 날아가고 있는 보이저호 임무는

반세기 넘게 현재 진행형입니다.

 

프시케 프로젝트는

애초에 이번 프로그램에 선발되지 않을 가능성이 높았습니다.

보통 입찰 팀은 여러 해 걸쳐

수차례 검토와 개선을 거치기 마련인데

프시케 팀은 제안서와 심사가 처음이었기 때문입니다.

 

게다가 프시케 프로젝트의 우주선 제조회사인 맥사 역시

나사의 주요 파트너로 참여한 게 이번이 처음입니다.

그런 회사가 프시케 탐사선의 제작비를 예상보다 훨씬 낮게 제시했기 때문에

나사는 맥사를 상대로 추가 조사에 들어갈 겁니다.

 

이는 프시케 팀의 선정 확률을 떨어뜨리는 요인이 될 수 있습니다.

그리고 당시 나사 내부에서는

‘지금은 금성 탐사가 적기’라는 분위기가 돌았습니다.

상황은 프시케 팀에게 분리해 보였습니다.

 

만약 프시케 팀이 탈락한다면

다시 처음으로 돌아가 제안서를 넣고 오랫동안 경쟁을 벌여야 합니다.

반대로 선정된다면 수억 달러가 투입되고 수많은 일자리가 창출되는

대형 프로젝트로 성장하게 됩니다.

 

이토록 중요한 일이 전화 한 통에 달려 있었기 때문에

팀의 리더들은 대개 나사에서 전화가 올 시간에 깨어 있기 마련입니다.

그런데 프시케 팀의 넉살 좋은 리더는

쿨쿨 자고 있다가 전화를 받았습니다.

 

나사의 부국장인 토마스 쥐르베헨이 수화기 너머에서 이렇게 말했습니다.

“헬로 린디, 혹시 제가 깨운 건가요?”

린디 엘킨스탠턴은 통화를 마친 뒤 커피를 한잔 마셨습니다.

그다음 가족, 팀원들, 협력회사 순으로 전화를 돌렸습니다.

잠시 뒤 수십 통의 축하 전화와 인터뷰 전화, 수백 통의 SNS 메시지가 날아왔습니다.

 

디스커버리 프로그램의 최종 우승자는

프시케 팀과 또 다른 소행성 탐사팀 루시였습니다.

나중에 알게 된 바에 따르면

이번 디스커버리 프로그램이 지금껏 가장 치열한 심사였다고 합니다.

그래서 그런지 탈락한 세계 팀 모두

나중에 수차례 개선을 거쳐 다음 프로그램으로 선정되었습니다.

 

디스커버리 프로그램의 14번째 우승자 프시케 팀

이제 우주선을 만들어

정말로 프시케를 보러 떠나는 일만 남았습니다.

 

 

프시케 우주선을 설계하고 제작하는데 5년이라는 시간이 걸렸습니다.

2023년 10월 13일 오전 10시 19분

마침내 케네디 우주센터에서 프시케 우주선이 발사되었습니다.

2만 km의 추진체 위에 800명의 인력과 11년의 세월, 2장의 제안서

완벽한 배선과 소프트웨어

태양 전지판과 볼트

연결부와 버팀대로 이루어진 노력의 결과물이

텅 빈 우주로 날아가고 있습니다.

 

우주선은 화성을 지나 미행성들의 파편 사이로 비행하다가

2029년 8월이 되면 16 프시케에게 도달할 겁니다.

 

프시케 팀의 계산이 정확하다면

인류는 지금으로부터 5년 뒤에

거대한 금속 전체를 처음으로 마주보게 됩니다.

어쩌면 지구 내핵의 비밀과 지구 자기권 형성의 비밀이

지구로부터 5억 KM 떨어진 곳에서 밝혀지는 멋진 일을 경험할지 모릅니다.

 

미지의 금속성 소행성의 정체

혹은 겉으로 노출된 지구 내핵의 한 부분이

그 모습을 드러내기를 기대합니다.

 

지금까지 북툰이었습니다.

시청해 주셔서 감사합니다.