유로파에서의 외계생명체 탐사

외계 생명체 탐사의 주무대가 최근 화성에서 유로파로 옮겨갔다. 그 이유는 다음의 3가지 숫자로 압축된다. 0과 13억3,000만㎦, 30억㎦가 그것이다.

첫 번째 숫자인 ‘0’은 화성에 있는 것으로 알려진 물의 양이다. 화성 지하의 영구 동토층에 얼어 있을 것으로 보이는 수분이나 10억년전 강물이 흘렀던 흔적은 배재하고 말이다.

두 번째 13억3,000만㎦는 지구상에 존재하는 물의 양이며, 마지막 30억㎦는 얼음으로 뒤덮인 유로파의 지표 아래에 있다고 믿어지는 물의 양을 의미한다. 그렇다. 화성에도 수십억 년 전에는 바다가 있었을지 모른다. 하지만 유로파에는 지금도 바다가 있다. 그것도 지구보다 2배나 많은 물을 가진 바다가 말이다.

인류의 지식 하에서 물의 존재는 곧 생명체의 존재와 같다. 지구만 해도 물이 존재하는 모든 곳에 생명체가 살고 있다. 때문에 물이 있는 행성의 발견이 외계생명체 탐사의 가장 기본이며, 유로파는 태양계에서 물을 가장 많이 품고 있는 천체다.

물론 생명체는 물 외에 먹이와 에너지도 필요로 한다. 유로파는 이것도 갖고 있다. 지구의 대서양 중앙해령에 있는 것과 유사한 화산분출구들이 유로파의 지하 바다를 휘저어 유기화학물질들을 퍼뜨리면서 영양분을 공급하고 있을 것이기 때문이다. 적어도 태양계에서 외계생명체를 찾으려면 이제 화성이 아닌 유로파를 타깃으로 삼아야 한다는 얘기다.

물론 유로파 탐사는 마냥 쉽지 않다. 그 어려움 역시 3가지 숫자로 표현할 수 있다. 먼저 9억6,560만㎞. 이는 지구와 유로파의 평균 거리로, 유로파까지 도달하는 데만 최소 6년의 시간이 소요된다.

다음은 500렘(rem). 유로파의 표면에 하루 동안 쏟아지는 평균 방사선량을 뜻한다. 이 정도면 방사능 차폐 설계가 채용되지 않은 우주선의 경우 며칠 내에 토스트가 된다. 마지막은 16㎞로 유로파 표면을 덮은 얼음의 평균 두께다. 남극 빙하 두께의 4배가 넘는다.

이 엄청난 난관을 극복하기 위해서는 인류의 재능을 극한까지 발휘해야 한다. 그럼에도 유로파 탐사에 대한 과학계의 목소리는 계속 높아졌고, 결국 올 5월 미 항공우주국(NASA)이 유로파 탐사선 개발 프로그램을 승인했다. 미 의회 역시 약 20억 달러로 추정되는 예산을 승인했다. 아직 세부적인 사항은 공개되지 않았지만 2020년대에 무인 탐사선 발사를 목표로 탐사선에 장착될 과학장비 9종이 선정된 상태다.

유로파의 가능성을 믿는 사람들은 이 소식에 축배를 들었다. 자신의 경력 절반을 유로파 연구에 투자한 미국 존스홉킨스대학 응용물리학연구소의 행성 과학자 루이스 프록터 박사도 그중 한사람이다.

“저희는 유로파가 얼마나 특별한지 잘 압니다. 위험을 무릅쓸 가치가 있어요. 제가 살아있는 동안 뭔가 밝혀지길 간절히 바랍니다.”





위대한 발견은 이따금 보이지 않는 곳에서 시작된다. 1979년 보이저 2호 탐사선이 유로파를 스쳐 지나갔을 때가 꼭 그랬다. 보이저 2호가 지구로 전송한 사진 속 유로파는 하얗게 얼어붙어 있었고, 표면에 불가사의한 갈색 줄들이 보였으며, 완전히 평평했다. 오랜 기간 보이저호 임무를 이끌었던 NASA의 에드스톤 박사는 당시를 이렇게 회상했다.

“크레이터는 전혀 없었죠. 그저 거대한 얼음 덩어리처럼 보였어요. 정말 놀라웠습니다.”

크레이터가 보이지 않는다는 것은 유로파의 지면에 남겨진 소행성 충돌의 흉터가 신속히 지워지고 있다는 의미였다. 다시 말해 유로파에는 그런 활동을 유발하는 정체불명의 에너지 소스가 존재해야 했다.

지금까지의 연구를 통해 우리는 그 후보의 합리적 추정이 가능하다. 구체적으로 유로파는 목성의 다른 큰 위성들과 중력상호작용을 하면서 내부가 늘어났다가 압축되길 반복하고 있다. 이때 발생한 마찰열이 내부의 얼음을 녹여 거대한 지하 바다를 만들고, 표면의 흔적을 제거한 범인일 개연성이 높다.

이후 1995년 NASA의 목성탐사선 갈릴레오호가 목성 궤도에 도달하면서 보이저 2호 때보다 근접 촬영된 사진들을 보내오며 유로파의 모습은 더 뚜렷해졌다. 앞서의 갈색 줄무늬는 빙하가 내려앉으면서 생긴 균열이었고, 해빙 같이 보이는 부분은 한번 깨졌다가 다시 얼어붙은 것이었다. 그런데 갈릴레오호는 무선안테나에 문제가 발생해 데이터 송신이 원활하지 못했다. 내장 카메라의 공간 해상도도 약 1.5㎞에 불과했고, 그나마 몇몇 지역은 사실상 미지의 땅으로 남긴 채 2003년 임무를 마쳤다. 그로부터 지금껏 유로파를 방문한 탐사선은 없다.

프록터 박사는 이런 힘든 상황에서도 최선을 다해왔다. 그 과정에서 20년 묵은 사진들을 짜맞춰 유로파 표면의 얼음이 따뜻한 하부층으로 들어갔다가 표면으로 다시 올라오며 순환하고 있음을 입증했다.

“지질 활동에 의해 융기하고 침하하는 지구 지각판의 냉동버전이라 할 수 있죠.”

또 미국 조지아공대의 우주생물학자 브리트니 슈미트 박사는 유로파의 지각 내에 이리호 수준의 물이 들어 있으며, 이것이 지하 바다와 지표면을 연결하는 파이프 역할을 한다는 증거를 찾아내기도 했다.

두 연구자의 발견을 종합하면 두 가지 흥미로운 가설이 세워진다. 지각이 천천히 순환한다면 혜성에서 묻어 온 산소와 미네랄, 유기 화학물질들이 지표에서 지하 바다로 유입될 수 있다는 게 그 하나다. 다른 하나는 얼음의 융기나 호수물의 분출에 의해 지하 바다에 살고 있을지 모를 생명체의 흔적이 지표에서 발견될 수 있다는 부분이다.

“표면 얼음층의 지질학적 운동 메커니즘을 파악하면 유로파의 생명지원시스템을 이해해 생명체 존재 가능성이 높은 탐사지역을 특정할 수 있습니다.”

현장 탐사가 없었다고 그동안 유로파 연구가 중단된 것은 아니다. 지구와 지구 궤도에서 원거리 연구가 지속됐다. 예컨대 2년여전 허블우주망원경 연구팀이 유로파의 남반구에서 거대한 수증기 구름을 관측했다. 이는 액체상태의 물이 지각을 뚫고 분출되고 있다는 증거다. 지표 근처에 물이 있거나 얼음층의 균열이 지하 바다까지 연결돼 있다고 볼 수 있다.

올 5월에는 NASA 제트추진연구소(JPL)팀이 유로파의 갈색 줄무늬를 실험실에서 재현하는데 성공하기도 했다. 당시 연구팀은 이 줄무늬가 지하 바다의 염분이 지표에 도달한 뒤 목성의 방사선에 의해 변색된 것일 수 있다는 결론을 내렸다. 실제로 지하 바다의 해저면이 풍부한 광물질을 가진 암석들로 이뤄져 있다면 물에 의해 염분을 포함한 광물질이 용해돼 유입될 수 있으며, 미네랄이 풍부한 물은 생명활동의 좋은터전이 된다.

이 모든 요인을 종합할 때 유로파는 기이하지만 단연코 가장 이상적인 생명체 탐사지다. 아니 정확히 말해 기이하지도 않다. 유로파와 유사한 얼음 천체는 태양계 밖의 위성과 왜소행성, 거대 소행성 등에서 흔하게 볼 수 있다. 최근의 연구에 의하면 이 얼음 천체 중 적어도 9개에 지하 바다가 있다고 한다. 향후 유로파에서 생명의 증거가 발견될 경우 태양계, 아니 전 우주에서 완전히 새로운 개념의 생명체 거주 가능 천체들이 등장하게 될 것이다.



유로파의 가치를 직시한 많은 연구자들은 갈릴레오호에 이어 정밀 탐사를 수행할 유로파 탐사선 발사를 추진해왔다. NASA 또한 그동안 3개의 탐사 미션을 준비했다. 하지만 개념연구 단계에서 모두 폐기되는 운명을 맞았다.

긍정적 결과는 이를 통해 유로파 탐사를 둘러싼 현실적 난제들을 파악했다는 점이다. 서두에 언급한 바와 같이 ‘거리’와 ‘우주 방사선’, 그리고 평균 16㎞에 이르는 ‘얼음층’을 뚫어야한다는 게 그것이다.

이중 거리 문제는 나름 완벽한 해결책을 찾았다. 주지하다시피 탐사선의 발사체로 기존의 ‘아틀라스-V’ 로켓을 사용하면 유로파까지의 항해에 최소 6년이 걸린다. 하지만 NASA가 개발 중인 차세대 대형 로켓 발사시스템 ‘SLS’를 활용하면 그 시간을 절반으로 줄일 수 있다. SLS는 새턴V 로켓 대비 10% 이상, 보잉 747점보제트기 31대보다도 강력한 840만 파운드의 추력을 표방하기 때문이다.

NASA의 현 스케줄에 따르면 오는 2018년 SLS의 첫 테스트 발사가 이뤄진다. 전문가들이 추정하는 유로파 탐사선 발사 시점이 대략 2022년이므로 SLS의 채용에는 큰 문제가 없다.

이에 비해 방사능 방호 문제는 한층 까다롭다. 초기에는 두터운 방호벽으로 탐사선을 감싸는 방안이 제시됐지만 그 경우 탐사선 제작비가 무려 40억 달러(약 4조7,000억원)이상으로 치솟는다. 이에 JPL의 로버트 파파라도 박사팀이 더 간단하면서 저렴한 해결책을 내놓았다. 유로파가 아닌 목성계 (Jupiter system)를 궤도비행하는 게 그것이다. 그러면 목성 주변 고에너지 입자에 의한 피해를 최소화하면서도 유로파를 최대 24㎞의 근접거리로 45차례나 스쳐지나갈 수 있다고 한다.

“일종의 치고 빠지기식 전술이죠. 매번 근접 비행을 한 직후 방사선 수치가 대폭 낮아지는 목성과 먼 지역으로 벗어나기 때문에 탐사선의 전자장치들이 3년의 임무기간을 무사히 버틸 수 있습니다.”

다만 방사선은 탐사선 외에 임무 자체에도 악영향을 준다. 설령 유로파의 지하 바다에 생명체가 존재하고, 지각과 얼음의 순환 과정에서 그 증거가 지표로 올라왔더라도 고에너지 입자에 의해 유기체 분자가 즉각 파괴돼 온전한 상태의 생명체 발견이 어려운 탓이다.

다행히 이 또한 해결책이 있다. 지하 바다의 물을 최고 200㎞ 상공, 즉 탐사선의 궤도보다 높은 고도까지 뿜어내는 유로파의 모습 자체가 열쇠다. 다만 과학자들의 연구결과, 그 물에 미생물이 가득하다고 해도 분출되는 물을 직접 받아 살아 있는 생명체(세포)를 포획할 확률은 극히 희박하다. 게다가 탐사선의 이동속도는 시속 16㎞에 달한다. 물기둥, 아니 물 한방울에라도 부딪치면 AK-47 소총에서 쏜 탄환보다 6배 빠른 물체와 충돌하는 꼴이 된다.

그럼에도 과학자들은 두 가지 이유에서 낙관적 입장을 견지하고 있다. 첫째는 살아있는 미생물과 조우하는 것보다 그 미생물이 존재한다는 화학적 흔적 찾기가 훨씬 용이하다는 점이다. 실제로 두 개의 소형 화학분석시스템을 탐사선에 탑재하면 물기둥과 안전거리를 유지하면서 분출된 물의 성분 분석이 가능하다.

둘째는 유로파의 지표로 갓 올라와서 얼어붙은 지하 바닷물 속 생명체가 방사능에 파괴되기 전 발견될 수도 있다는 사실이다. 이를 위해 탐사선에는 얼음층이 얇은 지역, 다른 말로 최근에 물 분출이 이뤄진 지역을 알아낼 레이더 장비가 채용될 예정이다. 이 정보를 바탕으로 영상 분광계가 해당 지표의 성분을 면밀히 파악하게 된다.

그러나 유로파의 물기둥도 우리 기대와 달리 정황적 증거만 줄지 모른다. 가능하다면 가장 확실한 방법은 궤도선이 아닌 착륙선을 보내는 것이다.



유로파 착륙에 성공할 경우 과연 우리는 무엇을 발견하게 될까. 인류는 아직 이 정도의 극한 세계를 탐사해본 전례가 없다. 남극과 북극이 그나마 비슷하지만 그야말로 ‘그나마’다.

단적으로 말해 유로파는 지구의 극지보다 월등히 춥다. 온도가 영하 135℃ 이상으로 올라가는 법이 없다. 이런 온도에선 물이 콘크리트만큼 단단해지는 등 새로운 형태의 극한 지질학 세상이 만들어진다. 방사능이 지표에 어떤 영향을 미치는지도 예측 불가다. 착륙선이 내려앉은 곳의 환경이나 거기서 뭘 보게 될지는 시쳇말로 며느리도 모른다는 얘기다.

착륙선의 개발은 용이할까. NASA JPL의 애덤 스텔츠너 박사는 자신의 팀이 유로파 착륙선을 설계가 준비가 돼 있다고 말한다. 참고로 스텔츠너 박사팀은 화성 탐사 로버 큐리오시티를 위해 강하 모듈이 로버를 줄에 매달아 지면으로 내려 보내는 혁신적 착륙시스템 ‘스카이 크레인(Sky Crane)’을 설계한 주역이다.

“최초의 화성 착륙선인 바이킹 1호의 설계팀도 화성 표면을 잘 알지 못했지만 착륙에 성공했습니다. 착륙은 로켓 과학의 문제예요. 착륙선의 중량, 그리고 얼마나 크고 강력한 역분사 추진기를 쓰는가의 문제죠.”

물론 착륙선이 수일 이상 임무를 수행하려면 막강한 방사선 방호 대책이 요구된다. 이는 착륙선의 중량 상승을 초래할 것이며, 더 강력한 역분사 추진기를 탑재해야만 시속 약 2만㎞로 궤도를 회전하던 착륙선을 시속 0㎞로 만들어 지면에 안착시킬 수 있다. 또 착륙선 분리 전 최적의 착륙 지점을 찾아줄 궤도선도 필요충분조건이다.

“당연히 힘든 일이에요. 하지만 공학적 측면에서 불가능의 영역은 아닙니다.”

연구팀은 착륙선의 임무 수행에 관한 독창적 아이디어도 여럿 보유 중이다. 예컨대 유로파의 지면에서 표본을 채취하는 데는 값비싼 전동 드릴이 필요 없다고 한다. 착륙선의 다리에 히터를 내장시킨 뒤 착륙 후 가동시키면 한층 쉽게 동일한 임무 수행이 가능하다는 설명이다. 약간의 온기로도 얼음을 기화시킬 수 있으므로, 이 기체를 흡입해 화학분석시스템으로 보내면 된다는 것이다.

“특히 착륙선이 한 자리에서 장시간 이 작업을 수행하면 방사선에 피폭된 지표를 뚫고 더 온전한 상태의 얼음을 분석할 수도 있습니다.”

이외에 NASA는 유럽우주기구(ESA)에 유로파 착륙선 또는 페너트레이터의 개발을 위한 제안도 요청해 놓은 상태다.

착륙선과 관련된 이 모든 아이디어들은 전문가들의 검토를 거쳐야 한다. 그래서 2017년 이전에는 공식 승인을 얻기 어려워 보인다. 덧붙여 자금 부분도 꼭 풀어야할 숙제다. 다수의 국회의원이 지지하고는 있지만 현재 NASA에는 유로파 착륙선 개발에 쓸 예산이 없다.

화성은 분명 지구와 가깝고, 탐사가 용이하며, 우리에게도 친숙한 천체다. 그러나 유로파는 과학적 관점에서 생명체 존재 확률이 더 높다. 시간과 자금을 투자한다면 광대한 우주 속에 오직 지구에만 생명이 살아가고 있는지에 대한 답을 찾을 수도 있다. 그리고 이를 믿는 많은 연구자들은 탐사 과정에 놓인 무수한 난관들을 전혀 두려워하지 않는다.

◇ 물을 품은 지구의 이웃









━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━BY Corey S. Powell