NASA is going to slam a spacecraft into an asteroid. Things might get chaotic

우주선 충돌시켜 지구 향한 소행성 궤도 바꾸려는 나사

미 항공우주국 나사가 미래에 지구로 날아와 충돌할지 모를 소행성의 궤도를 변경하는 실험에 착수할 예정이다. 과연 이 실험이 어떤 결과로 이어질지 주목된다.

지금으로부터 6억 5,000만 년 전 지구에 소행성이 날아와 충돌했다. 그렇지만 당시 지구를 지배하던 공룡은 이 사실을 미리 알 수 없었을 뿐만 아니라 자신을 방어할 우주 프로그램 같은 것도 마련해놓을 수 없었다. 그 결과가 어땠는지는 우리 모두 익히 알고 있다.

인간이 공룡과 같은 운명을 피하고 싶어 하는 것은 당연하다. 올해 하반기 미 항공우주국 나사(NASA)는 미래에 지구로 날아올지 모를 소행성의 궤도를 변경하는 실험에 착수할 예정이다. 이르면 올해 11월 24일, 혹은 늦으면 내년 2월경 ‘이중 소행성 방향전환 평가(Double Asteroid Redirection Test, DART)’라는 우주선을 발사해 1년 후 목표물인 디모포스(Dimorphos)에 충돌시킨다는 계획이다. 디모포스는 디디모스(Didymos)라는 훨씬 더 큰 소행성을 중심으로 공전하고 있는 축구 경기장 크기의 소행성이다.

나사의 계획대로 자동차 크기에 무게가 0.3톤이 조금 넘는 DART가 초당 6.5km의 속도로 디모포스에 충돌할 경우 현재 약 12시간 주기로 공전하는 디모포스의 공전 시간이 몇 분 달라진다. 그리고 5년 후 유럽우주국 ESA의 우주선 헤라(Hera)가 디모포스로 향해 미션 성공 여부를 확인하게 하겠다는 것이다. DART의 충돌이 디모포스의 궤도에 약간의 영향만 미치고 말겠지만 그 정도만으로도 향후 지구로 향할 가능성이 있는 소행성의 궤도를 바꿔놓기에 충분하다. 다만 이때 지구에서 충분히 멀리 떨어진 곳에서 소행성의 궤도를 바꿔놓는 게 중요하다. NASA의 DART 프로그램 담당 과학자인 탐 스태틀러(Tom Statler)는 “DART는 앞으로 발생할 심각한 자연재난을 예방할 역량을 갖추기 위한 프로젝트”라고 설명했다.

디모포스의 궤도 변화 가능성에 관한 연구는 이미 충분히 수행됐다. 그렇지만 디모포스에 가해진 충격이 이 소행성 자체에 어떤 영향을 미칠지는 아직 잘 파악이 안 되고 있었는데, 이를 시뮬레이션한 결과가 <이카루스(Icarus)>지에 최초로 공개됐다.

시뮬레이션 결과

해리슨 아그루사(Harrison Agrusa)가 이끄는 메릴랜드 대학교 연구팀은 충돌 시 운동량(momentum)이 소행성의 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)에 미치는 변화를 계산해 DART가 디모포스의 회전에 미치는 영향을 보여주는 모델을 구축했다. 시뮬레이션을 돌리자 매우 극적인 장면이 펼쳐졌다. 아르구사는 “디모포스가 흔들리기 시작하더니 걷잡을 수 없을 정도로 흔들림이 격렬해졌다”면서 “전혀 예상하지 못한 결과였다”고 말했다.

이렇게 예상하지 못한 회전이 디모포스에 생길 것으로 보이면서 몇 가지 새로운 문제가 생겼다. 우선 디모포스에 탐사선을 착륙시키는 일이 더 어려워질 수 있다. ESA의 헤라 프로그램은 소형 탐사선 두 대를 디모포스에 보낸다는 계획이다. 또, 지구로 향하는 소행성의 궤도를 바꾸는 것이 더 까다로워질 것이다. 소행성은 조금만 회전해도 경로가 달라질 수 있기 때문이다.

DART가 디모포스와 충돌하면 TNT 3톤에 해당하는 에너지가 발생하고 수천 개의 파편이 우주로 흩어질 것으로 보인다. 스태틀러는 이를 골프 카트가 약 2만 4,000 km/h의 속도로 축구 경기장에 부딪히는 상황에 비유했다. 충돌 시 발생하는 힘은 충돌 직후에는 디모포스의 회전에 영향을 미치지 않지만, 몇 일만 지나면 상황이 달라질 것이다.

충돌 후 몇 일 지나면 디모포스가 조금씩 흔들리기 시작할 것이다. 충돌 시 발생한 운동량 때문에 균형을 잃은 디모포스의 흔들림이 점점 커지지만, 진공 상태인 우주에는 이를 가라앉힐 마찰력이 없다. 디모포스는 일정한 방향 없이 이리저리 회전하거나, 긴 축을 중심으로 마치 바비큐 고기가 돌아가는 것처럼 회전할 수도 있다. 디디모스 표면에서 디모포스를 바라보면 그동안 고요한 줄 알았던 달의 모양이 달라져 있을 것이다. 디모포스가 앞뒤로 격렬하게 흔들리면서 그동안 볼 수 없던 새로운 면이 보이기 시작할 것이다.

몇 주가 지나면 축을 중심으로 한 회전이 더욱 격렬해지면서 통제 불가능한 상태가 될 것이다. 더 극적인 시나리오에 따르면 디모포스가 디디모스의 중력에서 떨어져 나와 ‘공중제비를 돌 듯’ 거꾸로 회전할  수도 있다. 

디모포스가 어떻게 될지는 몇 가지 요인에 달려있다. 우선 형태가 중요하다. 디모포스가 구체보다 옆으로 긴 타원형에 가까우면 격렬한 회전이 일어날 것이다. 지금까지 수집된 레이더 관측 자료에 따르면 타원형일 가능성이 크다. 그렇지만 정확한 것은 충돌 몇 시간 전에 직접 관측을 해야만 알 수 있다.

충돌 지점도 중요하다. 궤도 변경을 위해서는 디모포스 중심부를 타격해 최대의 힘을 전달해야 한다. 충돌 지점이 중심에서 멀어질수록 충돌 후 불규칙적인 회전이 일어날 것이다. 대부분의 시나리오에 따르면 디모포스는 충돌 후 몇 주 안에 앞뒤 아니면 여러 방향으로 흔들리기 시작할 것이다.

5년 후 헤라 탐사선이 디모포스에 도착하면 디모포스가 격렬하게 회전하면서 디디모스를 중심으로 공전하는 매우 극적인 장면을 보게 될 가능성이 있다. 디모포스가 디디모스의 중력에 이끌려 원래 상태로 돌아가기까지 수십 년에서 수백 년이 걸릴 가능성도 있다. 스태틀러는 “헤라가 디모포스가 격렬하게 회전하는 모습을 볼 것이라는 점이 매우 흥미롭다”고 말했다.  

디모포스의 회전 형태는 헤라가 도착해야만 확실히 알 수 있다. DART 우주선은 충돌 시 충격으로 산산조각날 것이고, 디모포스는 크기가 너무 작아서 지구에서는 자세히 볼 수 없기 때문이다. 이탈리아의 소형 위성 리치아큐브(LICIACube)가 디모포스 주변을 지나가면서 충돌 현장을 촬영할 예정이다. 그래도 촬영할 수 있는 시간이 몇 분 밖에 안되기 때문에 디모포스의 흔들림이 점점 커지는 모습은 볼 수 없다. 

ESA는 소형 위성 두 대를 디모포스에 보내 착륙을 시도할 것이다. 디모포스가 흔들려도 착륙을 할 수는 있지만, 어려움이 가중될 것이다. 격렬한 회전에 대비한 계획이 없으면 착륙을 시도하는 과정에서 위성이 튕겨 나갈 가능성이 있다. 이는 과학자들이 가장 피하고 싶은 결과다. 프랑스국립과학연구소(French National Centre for Scientific Research)의 패트릭 미셸(Patrick Michel)은 “그렇게 작은 천체에 착륙한다는 것은 어쨌든 어려운 일”이라고 말했다. 패트릭 미셸은 헤라 프로젝트 책임 과학자 중 한 명으로 아그루사 연구팀 논문에 공동저자로 참여했다.

디모포스가 지구에 줄 영향

디모포스의 흔들림은 미래에 지구를 구하려는 DART 프로젝트에 아무 영향도 미치지 않는다. 지구에도 미치는 위험도 없을 것이다. 단, 과학자들에게 몇 가지 유용한 정보를 줄 수는 있다. 소행성의 회전은 태양광 반사량 등 소행성의 물리적 특질에 영향을 미치고, 이것이 다시 소행성의 궤적에 영향을 미친다. 이는 소행성 궤도 변경을 시도할 때 고려해야 할 요인이다. 웨스턴온타리오 대학교의 천문학자 폴 위거트(Paul Wiegert)는 “우주선을 소행성에 충돌시키는 것으로 그냥 끝나는 일이 아니다”라며 “많은 물리적 법칙들을 고려해야 한다”고 강조했다.  

앞으로 디모포스-디디모스 쌍성계를 오랫동안 관측하면, 이번 같은 충돌이 쌍성계에 어떤 영향을 미치는지 알 수 있게 될 것이다. 그동안 이런 기회는 없었다. 일단 헤라만으로도 쌍성계가 충돌 이전 상태로 복귀하는 데 조석 효과(tidal effect)가 미치는 영향이 어느 정도인지 확인할 수 있다. 이는 디모포스, 디디모스 같은 소행성 사이의 중력 관계를 이해하는 데 도움이 될 것이다.

이제 곧 골프 카트가 축구장에 부딪히면 어떤 일이 벌어지는지 알게 될 것이다. 꽤 혼란스러운 상황이 벌어질 수도 있. 하버드-스미소니언 천체물리학센터(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)에서 소행성 역학을 연구하는 페데리카 스포토(Federica Spoto)는 “멋진 실험”이라며, “우리가 천체 시스템을 실제로 수정하는 것”이라고 강조했다.

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