천문학자들의 잉여질

* 오~ 굉장히 오랜만에 천문 분야에 짤막한 글을 하나 올리게 됐다.

1. 지구의 자전을 따라가며 관측한 최장시간 개기 일식 (콩코드)

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1973년 6월 30일, 로스 앨러모스 국립 연구소 소속의 과학자들은 그 당시 최첨단 기술의 산물이요, 운임도 상상을 초월하게 비쌌던 콩코드 초음속 여객기를 전세 냈다. 그리고 그걸 타고 공중에서 개기 일식을 관측했다. (공교롭게도 과학자들의 국적이 미· 영· 프여서 콩코드 개발사의 국적과도 일치했었음)

콩코드는 극심한 공기 저항을 뚫고 무리하게 고속을 추구하느라 연료 소모가 너무 심했으며, 비행 후에 기체의 유지보수 비용도 많이 들었다. 그런 주제에 승객은 100여 명 남짓밖에 못 태웠으니, 1인당 운임은 기존 아음속 여객기의 1등석 이상으로 비싸질 수밖에 없었다.

낮은 연비로 인해 항속거리도 짧은지라, 콩코드는 대서양은 건너도 태평양은 직항으로 횡단할 수 없었다. 우리나라에서 콩코드가 취항했다면, 1990년대 이전처럼 끽해야 괌 내지 앵커리지 정도나 가지, 뉴욕이나 LA까지 곧장 갈 수 없었다. (콩코드 여객기가 마케팅 홍보 차원에서 지난 1976년 11월 9~10일엔 우리나라도 방문해서 김포 공항에 착륙한 적이 있었음.. ㄲㄲ)

허나, 마하 2라는 속도는 압도적인 매력이기도 했다. 전투기의 속도로 비행하는 여객기라니.. 얘는 적도에서의 지구 자전 속도보다도 더 빠르게 날 수 있었다. 자전 방향을 거슬러서 동쪽에서 서쪽으로 날아가면, 서쪽으로 넘어가던 해가 도로 거슬러 올라오는 광경을 볼 수 있었다.

그러니 천문학자들이 이런 생각을 하게 됐다. 지표면에서는 지구의 자전 때문에 개기일식을 겨우 몇 분 동안밖에 볼 수 없는 반면, 저 콩코드 여객기 안에서 우리도 지구의 자전을 거슬러서 계속 같은(?) 지점에 있으면 일식을 더 오래 관측할 수 있을 거라고 말이다.

그래서 이 사람들은 콩코드 여객기를 빌려서 각종 관측 장비들을 실었다. 이 콩코드는 무슨 관광버스.. 아니, 관광기 노릇을 하면서 평소에 여객용으로 전혀 다니지 않던 적도 부근의 인도양-아프리카-대서양 구간을 날았다. 과학자들은 콩코드 특유의 그 자그마한 창문을 통해 개기일식을 무려 74분 동안 관측할 수 있었다고 한다.
이때는 석유 파동이 아직 발생하기 전이고 기름값이 아주 쌌기 때문에 이런 덕질 돈지랄도 할 수 있었다.

2. 태양계 밖에서 지구를 바라본 모습 (보이저 1호)

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이건 태양계 외행성 탐사선인 보이저 1호가 무려 해왕성을 통과하고도 1년이 더 지났던 1990년 2월 14일에 찍은 사진이다.
인류가 만든 물건 중에서 지구에서 가장 멀리 떨어져 있는 놈이 바로 보이저 1호인데, 얘는 그에 걸맞게 세상 만물 중에 지구를 가장 멀리서 보고 찍은 사진을 전해 준 것이다.

1969년, 아폴로 8호가 지구를 찍은 “Earthrise(지구돋이)”라는 사진이 매우 유명하듯, 보이저 1호가 찍은 저 사진은 “The Pale Blue Dot(희미하고 푸르스름한 점)”이라는 이름으로 유명세를 탔다.
우리가 사는 지구라는 터전도 우주라는 거시세계에서는 얼마나 작고 보잘것없는 존재에 불과한지를 일깨우는 매우 의미심장한 작품이다.

이 사진은 NASA의 보이저 프로젝트에 관여하고 있던 유명 천문학자 겸 과학 저술가인 ‘칼 세이건’의 적극적인 제안 덕분에 찍힐 수 있었다고 한다.
그 당시에 지구와 보이저 호는 이미 60억 km가량이나 떨어져 있었으며, 신호를 보내는 데만 5시간이 넘는 상태였다. 지상 기지에서 실시간으로 카메라 영상을 확인하고 렌즈의 위치를 바꾸는 기동 따위는 가능하지 않았다. 사용 가능한 자원이 극도로 제한되어 있으니, 그 어떤 지시를 내리더라도 절대적으로 신중해야 했다.

그 와중에 미지의 세계인 태양계의 바깥을 하나라도 더 촬영해도 모자랄 판에, 반대로 지구가 있는 뒤쪽을 촬영하는 건 리스크가 컸다. 태양 쪽을 향해서 카메라를 잘못 구동하다가 기기를 망가뜨릴 수도 있었다. 이건 한가로운 덕질 잉여질처럼 비쳐질 수도 있었다.

그러나 다행히 저 사진은 별 문제 없이 찍힐 수 있었다. 칼 세이건의 제안 덕분에 인류는 지구를 저렇게 멀리서 찍은 진귀한 사진을 얻을 수 있게 되었다. 이것도 보이저 2호가 전해 준 천왕성이나 해왕성 사진 만만찮게 의미심장하지 않은가?

그리고 칼 세이건은 마냥 비현실 감상적 낭만적인 과학 덕후인 건 아니었다. 과학 분야의 행정가로서 국민 세금 아까운 줄도 알았으며, 무리한 유인 달 탐사의 반복에 대해서는 오히려 반대 소신이었다. 유인 달 탐사를 한 번 할 비용으로 무인 달 탐사는 n번씩 하면서 더 많은 발견을 할 수 있기 때문이라고..

보이저 1호에 장착되었던 카메라는 저 사진의 촬영을 끝으로 영구봉인되었다고 한다.
사실, 얘는 발사된 지 무려 40년이 넘었고, 이제 언제 교신이 끊기더라도 이상할 게 없는 노인학대 상태이긴 하다. 그나마 이렇게 오래 교신이 가능한 건 태양광이 아니라 물질 그 자체로부터 초월적인 에너지를 내는 원자력 전지 덕분이다.

3. 텅 빈 우주 공간에 찍힌 은하들의 모습 (허블 우주 망원경)

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‘허블 우주 망원경’이라고.. 인공위성 형태인데 여느 첩보· 통신 위성들처럼 지구 쪽을 촬영하는 게 아니라, 우주를 촬영해서 영상을 보내 주는 ‘이동식 천문대’가 있다.
얘는 1990년 4월 말에야 발사돼서 활동을 시작했으니, 아까 그 보이저의 지구 사진과 등장 시기가 비슷하다.

지구에서 우주를 관측하는 건 낮과 밤, 구름과 날씨, 대기에 의한 산란, 주변의 각종 불빛 때문에 애로사항이 매우 많다. 오죽하면 도시에서는 이제 별도 거의 볼 수 없는 지경이 됐을 정도이다. 천문대를 도심과 최대한 떨어진 오지의 산꼭대기에다 건설해 보지만, 이것도 사진의 품질을 올리는 데 한계가 있다.

보통 이공계에서 공기가 방해물로 작용하는 건 십중팔구 운동하는 물체에 대한 ‘공기의 저항’이다. 극한의 고속을 다루는 항공 우주 공학에서는 열까지 걱정해야 할 정도로 저항이 극심해진다. 그런데 천체 관측은 물체의 운동과는 전혀 무관하면서 지구 대기의 방해를 받는 영역이라는 것이 참 흥미롭다.

하긴, 물은 아무리 티없이 맑고 투명하더라도 일정 깊이 이상이 되면 빛조차 전혀 들어오지 않게 되니.. 유체는 빛의 진행 속도를 느리게 하고 진행 방향을 바꾸고, 더 나아가 빛을 차단하는 효과가 있긴 해 보인다.

그런데 아예 지구 대기권의 밖에서.. 우주에서 우주를 관측하면 저런 한계를 전혀 받지 않으면서 지구에서는 감히 상상도 할 수 없는 고품질의 관측 사진을 얻을 수 있다.
그 반면, 단점은??? 그야말로 상상을 초월하는 비용...

이거 뭐 일반 야구장과 ‘돔 구장’의 차이가 문득 떠오른다. 후자도 날씨에 구애받지 않고 언제나 야구 경기가 안정적으로 열리게 해 주지만, 건설과 유지보수 비용이 정말 살인적이라는 점에서 약간 비슷한 관계인 것 같다.

허블 우주 망원경은 우리 돈으로 환산하면 수천억~조 단위의 예산이 투입되어 개발되고 발사됐다. 하지만 얘는 만들어 내는 결과물이 워낙 압도적이고 탁월하기 때문에 전세계의 천문학자들이 한 번쯤 사용해 보고 싶어하는 로망의 대상이 됐다. NASA에서는 세계로부터 들어온 관측 신청서들을 검토한 뒤, 1년 단위로 망원경 운영 스케줄을 짠다고 한다.

그런데 그 와중에.. 1995년에 ‘로버트 윌리엄스’라는 천문학자는 예약이 꽉 찬 그 비싸고 귀한 허블 우주 망원경을 이용해서 특정 천체나 은하가 아니라 아무것도 없는 텅 빈 우주 공간을 쭉 zoom 당겨서 찍어 보면 어떨지 제안했다.

이건 아무 성과 없이 망원경의 막대한 운영 비용만 날리는 돈지랄로 끝날 수도 있는 도박 모험이었다. 더구나 극도로 어두운 우주에서의 촬영은 무슨 지구에서 셀카 찍듯이 찰칵 한 번으로 금방 끝나는 것도 아니었다. 최하 며칠 이상씩 노출을 하며 기다려야 했다.

그래서 이 제안은 가성비가 거센 찬반 논쟁의 대상이 됐지만.. 그래도 끝내는 승인되어 촬영이 시행되었다. 그런데 결과물을 들여다보니, 성경에 나오는 “깊은 데로 그물을 던져라” 같은 이변이 벌어졌다.
사진에는 무려 3천 개에 달하는 은하들의 모습이 담겼다~! 이 사진은 “Hubble Deep Field”라는 이름이 붙어서 세계의 천문학계를 발칵 뒤집어 놓았다.

우주라는 건 저기뿐만 아니라 아무 데나 대고 촬영해도 별, 아니 은하들이 우리가 차마 상상도 하기 어려울 정도로 많이 깔린 거시세계였던 것이다.
저 사진은 인류가 까마득히 가장 먼 지점을 관측한 결과물이라는 기록을 수립했다.

참고로..
(1) 지구도 쉴 새 없이 자전과 공전을 하지만 허블 우주 망원경은 지구를 도느라 지표면보다 더 빠르게 움직인다. 얘는 이 상태로도 카메라가 같은 목표물을 꾸준히 관측할 수 있도록 렌즈의 시선을 시시각각 수정하는 시스템이 갖춰져 있다.

(2) 그리고 허블 우주 망원경은 엄청 먼 거리에서 엄청 크고 빛도 내는 별이나 은하를 촬영하는 것에 맞춰져 있다. 그럼 지구에서 관측하기 몹시 힘든 천왕성, 명왕성, 해왕성 같은 걸 이 망원경으로 볼 수는 없을까? 더구나 천왕성은 보이저 2호가 다녀가던 당시에 사진을 굉장히 흐릿하게밖에 못 찍었는데 말이다.
답을 말하자면, 그건 못 하라는 법은 없지만 가성비가 맞지 않기 때문에 안 한다.

목성의 흐릿한 고리 정도는 지구에서는 제대로 관측하기 매우 어렵지만 허블 우주 망원경을 동원하면 더 선명히 볼 수 있다. 그러나 지구의 천문대보다만 나은 결과가 나올 뿐, 천왕성· 해왕성· 명왕성 같은 건 어차피 보이저 2호나 뉴 호라이즌스의 근접 촬영을 능가하는 작품이 나오지는 못한다고 한다.
결국 탐사선과 우주 망원경은 서로 용도와 임무가 다른 셈이다. 저격 소총과 자주포가 용도가 다른 것만큼이나 다르다.

Posted by 사무엘

2021/12/31 08:36 2021/12/31 08:36
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  1. 미셀레인 2022/01/02 20:19 # M/D Reply Permalink

    안녕하세요. 몇 년간 용묵 님의 블로그를 읽어왔는데, 댓글은 처음 달아봅니다.^^;

    1. 허블 우주 망원경으로 본 텅 빈 우주 공간에 찍힌 은하들의 모습은 예전에 학생 때나 본 것 같은데 다시 보니 매우 경이롭네요. 처음 저 사진이 찍히고나서 천문학자들이 느꼈던 감정은 대항해시대의 탐험가들이 새로운 대륙이나 섬 발견했을 때의 느낌 같았을 것 같군요.

    2. 태양계 밖에서 인간을 봤을 때는 인간이 점도 안 될 정도겠지만, 또 저 작은 원자 기준에서 봤을 때 인간은 참 큰 존재란 것이 정말 신비합니다.

    1. 사무엘 2022/01/02 21:20 # M/D Permalink

      안녕하세요?
      제 누추한 블로그를 꾸준히 구독해 주시고 의견도 남겨 주셔서 대단히 고맙습니다.

      광활한 우주는.. 정말 그렇습니다. 과학이 자연에서 관측하고 다루는 물체/물질의 크기는 지수함수 스케일로 커졌다가 작아집니다. 우주에서 행성이 항성을 도는 것과 대등한 비율로 전자가 원자핵을 돈다니.. ㄷㄷㄷ

      물론 대부분은 미시세계를 다루고, 천문학만이 거시세계를 다루지요. ^^ 천문학은 인간을 겸허하게 만드는 학문임이 틀림없습니다.

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