혜성에 착륙하는 법

로제타 미션의 관리자로서 프레드 잰슨은 67P/Churyumov-Gerasimenko라고 하는 2014년 혜성 탐사 착륙을 성공적으로 이끌었다. 이 매혹적이고 재미있는 강연에서 잰슨은 지구에서 5억km 떨어진 혜성에 필래탐사선을 착륙시키는데 들어간 복잡한 계산과정을 보여주며 그 과정에서 촬영한 놀라운 사진들을 함께 보여줍니다.

저는 로제타 우주선의 특별한
임무에 대해 이야기하고자 합니다.

저는 지난 2년간 혜성에 탐사선을
착륙시키는 이 임무에

온 열정을 쏟았죠.

이 이야기를 시작하기 전에,

먼저 태양계의 기원부터
설명드릴 필요가 있겠군요.

45억년 전의 태양계에는

가스와 먼지의
구름들만이 있었습니다.

우리의 태양은 이 구름의 중심에서
탄생했고, 연소하기 시작했죠.

그와 동시에 행성들, 혜성들과
소행성들이 만들어졌습니다.

이론에 의하면, 지구가 형성된 후

식기 시작했을때,

혜성들이 지구와 크게 충돌하여
지구에 물을 가져왔습니다.

혜성이 아마 복잡한 유기물 또한
가지고 왔을 것입니다.

그리고 그것이 아마 지구
생명체 탄생의 시초였을 것입니다.

지구의 탄생은 마치 250조각 퍼즐 맞추기의
난이도와 같다고 생각하시면 됩니다.

2000조각도 아닌
250조각의 퍼즐말이죠.

그때 쯤에는, 목성이나
토성같은 거대한 행성들이

지금의 위치가 아닌
다른 곳에 있었습니다.

중력으로 상호작용했으며,

태양계 내부를 휩쓸고 지나다니며
잔해들을 청소했죠.

그리고 우리가 오늘날
혜성이라고 부르는 물체는

해왕성의 궤도 밖의 띠인

카이퍼 벨트를 형성하였습니다.

때때로 이 벨트 안의
물질들은 충돌하고

서로의 중력 때문에
방향을 바꾸기도 하는데

그렇게 되면 목성의 중력이 이 혜성들을
다시 태양계 안으로 끌어들입니다.

이것이 바로 우리가 하늘에서
관측하는 혜성입니다.

여기서 우리가 주목해야 점은

45억년이라는 시간동안

이 혜성들은 태양계 밖에서

우리 태양계가 어둡고 차가웠던 시절의

모습을 한결같이 간직하고
있을 것이라는 사실입니다.

밤하늘에서 혜성은 이렇게 보입니다.

혜성은 꼬리로 알려져 있죠.

혜성은 사실 두개의
꼬리를 가지고 있습니다.

하나는 태양풍에 의해 날아가는
먼지로 이루어진 꼬리이고

다른 하나는 하전된 입자로
이루어진 이온 꼬리입니다.

이 꼬리는 태양계의 자기장을 따라가죠.

코마가 있고,

여기서는 너무 작아서
보이지 않는 핵이 있습니다.

이 시점에서 다시 로제타 우주선
이야기를 꺼내 보면

이 우주선은 저기 조그마한
점 하나에 들어가 있습니다.

혜성과 20, 30, 40km 정도밖에
떨어져 있지 않죠.

그러면 여기서 중요한 점은 무엇일까요?

혜성은 태양계가 형성될 때
생성된 물질을 가지고 있습니다.

그래서 혜성은 지구와 생명이
시작됬을 때에 존재했던

성분들을 연구하기에 좋습니다.

혜성은 또한 생명체를
탄생시켰을지도 모르는

원소들을 지구에
가져왔을 지도 모릅니다.

1983년, ESA(유럽우주기관)는
혜성 임무의 토대라고 할 수 있는

호라이즌 2000 계획을
실행에 옮겼죠.

지금 보고 계시는 혜성관측선
기오토가 발사되었습니다.

그리고 1986년에 다른 우주선과 함께
헬리 혜성에 접근 비행했죠.

이 임무를 통해, 혜성이 우리 태양계를
연구하기 적합한 도구라는 사실이

확실하게 판명되었습니다.

그리고 로제타 임무가
1993년에 승인되었습니다.

계획대로라면 이 우주선은
2003년에 발사되었어야 했지만

아리안 로켓에 문제가 발생했습니다.

하지만 우리의 열정적인 홍보팀은

엉뚱한 혜성의 이름이 새겨진

1,000개의 푸른 판을 이미
만들어 놓은 상태였죠.

그때부터 도자기를 살 필요가
없어졌습니다. 그건 좋았네요.

(웃음)

모든 문제가 해결되었던 2004년에,

저희는 새로 선택한 혜성,

추류모프-게라시멘코에
우주선을 쏘아올렸습니다.

이 행성은 크게 두 가지 이유로
특별히 선택되었습니다.

첫째로, 우주선이
근접비행 할 수 있었으며,

둘째로, 혜성이 태양계에서
지낸 시간이 얼마되지 않았습니다.

이 혜성은 1959년에 처음으로
태양계에 진입했죠.

이 때 처음으로 목성에
의해서 끌어당겨졌고.

혜성에 변화가 오기 시작할만큼 태양에
충분히 가까이 자리잡았습니다.

그러므로 이것은 매우 새로운
혜성이라고 할 수 있죠.

로제타 위성은 역사를 새로 썼습니다.

혜성 주위를 공전하는 최초의 위성이였고

혜성이 태양을 공전하는 내내 함께
공전했던 최초의 위성이기도 했습니다.

8월에 태양과 가장 가까워지고,

다시 태양계 저 멀리로 날아가죠.

그리고 혜성에 착륙한
첫 번째 위성이기도 합니다.

저희는 우주선이 자주 사용하지 않는

방법으로 혜성 주위를 공전했습니다.

일반적으로 하늘을 올려다보면
자신이 어디를 가리키고 있고,

어디에 있는지 압니다. 우리의 경우에는
이것들만으로 충분하지 않았습니다.

저희는 혜성의 주요 지형지물을
확인하며 방향을 찾았습니다.

바위, 크레이터등의
지형물들을 이용했죠.

그렇게 혜성과 비교해서 저희가
어디에 있는지 확인했습니다.

네, 물론, 태양전지만을 사용해서
목성의 궤도 밖을 탐험한

최초의 위성이기도 합니다.

이게 실제보다 더욱
굉장하게 들리긴 하네요.

당시엔 방사성 동위체
열발전기를 사용하는 기술이

유럽에는 개발되지 않아서,
저희는 선택의 여지가 없었습니다.

그래도 태양 전지판이 크긴 했습니다.

이게 날개 하나의 크기인데, 이 사진
속 사람들은 저희가 엄선한 평균이하

신장의 사람들이 아닙니다. 저와
여러분과 같은 평균신장의 사람들이죠.

(웃음소리)

저희는 65㎡의 날개 두개를 이용하여
혜성에 도착했습니다.

하지만 막상 혜성 근처에 도착하면

65㎡ 크기의 돛을 단
가스를 뿜어 내는 천체가

혜성에 근접하는데에 가장 효과적인
도구는 아니라는 사실을 깨닫게 됩니다.

그럼, 혜성에 어떻게 근접했나고요?

저희는 지구에서 태양까지의
거리의 4배에 달하는 장거리를

항해해야 했으며

우주선 무게의 6배에 달하는

양의 연료를 필요로 하는
속도로 항해해야 했습니다.

어떻게 해야 좋을까요?

중력력을 이용한 근접통과,
즉 슬링샷 기법을 이용하는 것입니다.

행성을 지나갈때, 그저 수천km의

매우 낮은 궤도로 나는 기법이죠.

그러면 태양을 도는 행성의 공전속도를
거저 얻을 수 있습니다.

저희는 이를 몇 번이나 반복했습니다.

지구에서 한 번, 화성에서 한 번, 그리고
지구에서 두 번을 더 실시했죠,

저희는 소행성 루티시아와 슈타인도
이 기법을 이용해 지나갔습니다.

그리고 2011년, 우주선에 문제가 생겨도,
더 이상 우주선을 고칠 수 없을 만큼

태양에서 멀어졌습니다.

그래서 저희는 동면에 빠졌죠.

시계 하나만을 제외하고
모든 것들이 꺼졌습니다.

여기 보이시는 하얀 줄이
저희 우주선이 따른 궤도입니다.

저희가 처음 시작한 원으로부터,

선이 점점더 타원형이 되어
가는 것이 보이실겁니다.

그렇게 해서 2014년 5월에
겨우 혜성에 이르렀고

우주 근접 비행을 시작했습니다.

혜성에 도착할 때까지 저희는 지구를 지나면서
카메라를 테스트하기 위해 사진을 몇장 찍었습니다

이건 지구 저편에서
달이 떠오르는 모습입니다.

이건 셀카라고 불리는 사진입니다.

뭐 당시엔 이 단어가 존재하지
않았지만 말입니다. (웃음)

이건 화성이고, CIVA 카메라로
촬영하였습니다.

착륙선에 달린 카메라 중 하나이며

태양전지판 바로 아래서의 시야입니다

멀리있는 화성과 태양전지판이 보입니다.

2014년 1월, 동면에서 깨어나면서

저희는 5월에 혜성에 도착할 수 있도록

200만km의 거리를
좁히기 시작했습니다.

하지만 우주선의 속도가 너무
빨랐습니다. 저희는 혜성보다도 빠른

시속 2800km의 속도로 움직이고
있어서 속도를 낮출 필요가 있었습니다.

저희는 근접비행을 8번이나 해야했죠.

그중 몇몇은 매우 컸다는
것을 보실 수 있으실 겁니다.

처음에는 시속 수백km까지
감속을 했는데,

그 근접비행을 성공시키는데
무려 7시간이 걸렸습니다.

그리곤 218kg의 연료를 사용했죠.

무척이나 피곤한 7시간이었습니다.
왜냐하면 당시, 2007년엔

로제타의 추진쳬계에 누수가 있었고

한 부분을 완전히 차단하여

애초에 견뎌내라고 설계되지 않았던

압력 아래 가동되고 있었습니다.

결국 혜성의 근처에 도착한 후, 이게
저희가 처음 마주한 광경입니다.

혜성의 실제 주기은 12시간 반이기에

이 영상은 가속되었습니다.

이 영상을 보면, 저희 비행 역학
공학자들이 이 광경을 마주하고

왜 이 혜성에 착륙하기 쉽지 않을 것이라고
생각했는지 이해할 수 있으실 겁니다.

저희는 착륙하기 쉬운 감자모양의 물체를

기대하고 있었죠.

적어도 표면이 매끄럽기만을 바랬습니다.

하지만 이 소망 마저도
부서졌습니다. (웃음)

그래서 당시 이 혜성의
세밀한 지도를 만드는게

피할수 없다는 결론을 내렸습니다.

지름 500m의 평지를
찾아야 했기때문이죠.

왜 500미터냐고요? 500m가 탐사기를
착륙시킬 때의 오류이기 때문입니다.

그리하여 저희는 이 혜성의
세밀한 지도를 만들었습니다.

사진 기울기 측정이라는
기술을 사용했죠.

태양에 의해 생기는 그림자를
이용하는 기술이죠.

이 사진에서 혜성 표면에
있는 바위가 보이고,

그 위로는 햇빛이 비치는게 보입니다.

이 그림자를 이용하면 이 바위의

대략적인 형태를 머리속으로
유추해 낼 수 있습니다.

컴퓨터 프로그래밍으로도
유추해 낼 수 있죠.

이 과정을 혜성 전체에 반복하면
혜성의 정밀한 지도가 완성됩니다.

지도를 완성시키기 위해 저희는 8월부터
특별한 궤도를 돌기 시작했습니다.

첫째로, 100km 거리의 측면을 가진

측면으로 100km의 삼각형을 그리며

그리고 나선, 50km에서
모든 것을 반복했습니다.

그때부터, 혜성을 모든
각도에서 보게 되었고,

혜성 전체 지도에 이 기술을
사용할 수 있습니다.

이제 착륙할 장소를 고르게 됩니다.

우리가 한 이 모든 과정, 혜성의 지도에서
실행 할 수 있으며, 갈 수 있는

마지막 착륙 장소를 찾는데
60일이 걸렸습니다.

더 이상 할게 없죠.

화성임무를 달성하기 위해
어디를 가야할지를 두고

수년간 수백명의

과학자들이 고민합니다.

저흰 60일에 해냈습니다.

결국 마지막 착륙지를 선택하였습니다.

그리고 명령은 로제타에게
필라에를 발사를 준비하는 거였습니다.

이게 작동한 방식은
착륙기가 수동적이기에

로제타가 우주에서 올바른 위치를 잡기 위해서
혜성을 따라가는 것을 목표로 했다는 겁니다.

그리곤 착륙기는 혜성을 통해서
밀려났으며 움직였습니다.

필라에가 착륙할때까지 실제
보이는 것을 카메라로 잡아내기 위해서

로제타는 주변을 선회하였습니다.

그리고 필라에와 통신할 수 있기 위해서

지금 전체 궤도의 착륙진행은
7시간입니다.

간단한 계산을 하자면:

7시간이 2만 5천초인데

로제타의 속도가 초당 1cm로 날아가면

혜성에서 252m 오차가 발생합니다.

그래서 초당 1cm단위보다 자세한

로제타의 속도를 알 필요가 있습니다.

우주에서 100m 떨어져서 위치했고

지구로 부터 5억km 떨어져있습니다.

이것은 엄청나게 어려운 일입니다.

그럼 과학이론과 장비의 일부를
설명해 보겠습니다.

모든 장비에 대해
설명하진 않을 겁니다.

하지만 필요한 내용은 다 있습니다.

먼저 가스를 탐지하거나
먼지를 측정할 수 있습니다.

형태와 조성을 조사해서

자기탐지기, 등 모든 것을 사용해서

로제타의 위치에서 기체 농도를

측정하는 도구의 결과를

혜성에서 검출된 하나의 결과이지만
그래도 혜성에서 나온 가스입니다.

아래의 그래프는
지난 해 9월의 것입니다.

장기적인 변동이 있는 것은
그리 놀라운 일이 아닙니다만

뾰족한 부분도 볼수 있네요.

이게 혜성의 하루입니다.

태양의 영향으로 가스가
증발하고 나옵니다.

그리곤 혜성이 자전하고 있습니다.

즉, 한 장소에서 특히

많이 분출하는 것을 보입니다.

태양에 의해 가열되고,
뒤로 돌아서 식혀집니다.

밀도의 변화로 볼 수 있습니다

이는 저희가 미리 측정한

가스와 유기화합물입니다

많은 측정이 있었고

측정후엔

매우 인상적인 목록을
보실 수 있을 겁니다.

현재, 휴스턴에서 회의가 열리는데요.

거기서 많은 데이터가
발표되고 있습니다.

또한, 먼지입자를 분석했습니다.

여러분에게는 그리 대단한
것처럼 보이지 않겠지만

과학자들은 이걸 봤을 때
흥분을 감출 수 없었습니다.

두 가지 먼지 입자:

오른쪽은 보리스라고 불리며,
이것을 분석하기위해

탄탈륨을 이용했습니다.

현재, 우리는 나트륨과
마그네슘을 발견했습니다.

이 두 물질의 농도는

우주 공간이 형성되었을 때를
설명해주고 있습니다.

따라서 우리는 행성 형성시

어떤 물질들이 있었는 지
알 수 있습니다.

당연히 가장 중요한 증거는 영상입니다.

이것은 로제타의 카메라중
하나인, OSIRIS camera입니다.

그리고 이것은 실제로 과학잡지의
표지를 장식하기도 했습니다.

6월 23일에 말이죠.

아무도 이것의 구조가 이와
같다고 기대하지 않았습니다.

바위, 돌--어떤 경우, 그것은
요세미티 하프 돔과 더 닮았습니다.

그 어떤 것보다 말이죠.

우리는 이와 같은 사실들도
관측할 수 있었습니다.

바람이 불어 오른쪽으로
기울어진 모래언덕과 같습니다.

우리는 화성에 대해서 알고 있지만,
이 혜성은 대기를 가지고 있지 않습니다.

따라서 이것은 바람이 불어서
모래언덕을 형성하기 힘듭니다.

이것은 지역의 가스방출을
통해 일어날 수도 있습니다.

상승하고 다시 돌아오는 것과 같이

우리는 모릅니다. 따라서 거기에는
많은 조사가 이루어지고 있습니다.

여기서 당신은 같은
이미지를 두 번 살펴봐야 합니다.

왼쪽의 그림을 보면 가운데에
구덩이가 있는 것을 볼 수 있습니다.

오른쪽 그림에서는 주의 깊게 본다면

구덩이에서 3개의 분출구가
나와 있는 것을 볼 수 있습니다.

이것이 혜성의 역할입니다.

특히, 구덩이의 바닥을 보면
활동적인 지역을 볼 수 있고

그곳은 증기를 함유하고 있습니다.

이것은 혜성의 목부분에 위치한
매우 흥미로운 갈라진 틈입니다.

오른쪽을 보세요

이것은 1km 길이이고
2.5m 넓이입니다.

몇몇 사람들은 이것을 제안합니다.

태양에 가까이 가게 되면

혜성은 두 조각으로 분열될 것이고

우리는 어떤 혜성을 가게 될까를
우리가 선택하는 겁니다.

착륙선에는 많은 장비들이 있습니다.

해머와 드릴과 같이 것을 제외하고는

로제타와 비슷합니다.

굳이 하늘에 떠있는 것과
혜성위에 있는걸 비교한다면 말이죠.

이건 그라운드트루스 측정기라는 겁니다.

이것은 OSIRIS 카메라로 찍은

하강장면 입니다.

착륙선이 로제타에서
멀어지는 것을 보고 계십니다.

우측 상단을 보게되면, 착륙선이
찍은 60 m 위 영상을 볼 수 있습니다.

혜성의 표면 위 60 m 지점입니다.

10 m 쯤에서는 둥근 돌도 있습니다.

이것은 혜성에 착륙하기 전에
마지막 사진 중 하나입니다.

이제 다른 관점에서
전체 순서를 살펴보세요.

왼쪽 아래에서 부터 중간까지
혜성표면을 흐르는 착륙선의

확대이미지를 보고 계십니다.

그리고, 맨 위를 보시면,
착륙전과 착륙후의 사진이 있습니다.

착륙후 사진의 문제는,
저기에 착륙선이 없다는 겁니다.

하지만 제일 오른쪽
사진을 자세히 보면

착륙선이 있는걸 볼 수 있습니다.
하지만 튕겨졌고

다시 나갔습니다.

여기서 재밌는 점은

로제타는 처음엔 반동이 가능한
착륙선을 가지도록 설계되었다는 겁니다.

하지만 비용이 엄청났기
때문에 철회되었죠.

이제 우리는 잊어버렸지만,
착륙선은 알겠네요.

(웃음)

자력계 안에서 첫 반동이 진행되는 동안

여러분은 여기서 x ,y, z의 세 축에서
얻은 데이터를 보실 수 있을 겁니다.

도중에, 붉은 선이 보이죠.

그 붉은 선이 있는 부분에서
변화가 일어납니다.

변화는 명백히 첫 번째 반동이
진행되는 동안 일어났습니다.

어딘가에, 우리의 착륙선의 다리 하나가
크레이터의 가장자리에 부딪혔죠.

그리고 착륙선의
회전 속도가 변했습니다.

결국 우리는 꽤 운이 좋았던 편이죠.

우리가 지금 여기 있으니 말이에요.

이건 로제타의 상징적인
이미지 중 하나입니다.

혜성에 서있는 인공물체,

착륙선의 다리죠.

이건 제가 지금껏 보았던 우주과학의
이미지 중에서 최고입니다.

(박수)

우리가 여전히 해야만 하는 것 중
하나는 착륙선을 찾는 일입니다.

여기 이 파란색 공간은 착륙선이
틀림없이 있을 것이라고 생각하는 곳이죠.

아직까지는 그것을 찾지 못했지만
탐사선을 가동시키기 위한 우리의노력이 지속되는한

탐사는 계속되고 있습니다.

우리는 매일 소식을 듣고 있으며,

우리고 우리는 지금부터
4월 어느 때쯤 사이에

탐사선이 재가동되기를 바라고 있습니다.

혜성에서 우리가 알게 된 연구결과는

이것들이 물위로 떠오를 것입니다.

그것의 밀도는 물의 밀도의
절반에 해당하죠

그래서 이건 매우 큰 바위처럼 보이지만
실제로는 그렇지 않은 것입니다.

우리가 작년 6,7,8월에
관찰한 활동은

4배씩 증가하고 있었습니다.

우리가 태양 부근에 도착할 때 쯤,

가스든, 먼지든 무엇이든 간에

이 혜성을 초속 100km의
속도로 떠나고 있었죠.

그건 하루에 1억 km에
해당하는 것입니다.

그리곤 마침내 착륙일.

독일에서 완전히 열광해있던 250명의
TV 제작진들을 절대 잊지 못할 겁니다.

BBC가 저를 인터뷰하였고,

하루종일 따라다니던 다른 TV 제작진도

인터뷰하고 있던 저를 촬영했죠.

그리고 그날 하루는
그렇게 흘러갔습니다.

디스커버리 채널 제작진은

사실 통제실을 나가면서
저를 붙잡았습니다.

그리고 저에게 질문을 하더군요.

그리고 이런, 전 눈물이 났습니다.
그리고 여전히 그걸 느낄 수 있죠.

한달 반 동안

저는 착륙일에 대해
생각할 때마다 눈물이 났죠.

그리고 여전히 그 감정을
제 안에 간직하고 있습니다.

이 혜성의 이미지를
보여드리며 마치겠습니다.

감사합니다.

(박수)