[비센의 재미있는 과학 이야기]

 

행성 관측 케플러 망원경

지구와 비슷한 환경 갖고 있는 100 여개 행성 발견

 

 

지난 4월 10일 미국 우주항공국(NASA)은 약 7천 5백만 마일 떨어져 있는 케플러 우주망원경(Kepler space observatory)이 원인 모를 이유로 스스로 응급모드(emergency mode)로 들어갔다는 신호를 받았다고 발표했습니다.

 

다행히 하루만에 원격조정 시스템을 통해서 케플러 우주망원경은 응급모드를 해제하고 정상모드(normal mode)로 복귀되었지만 망원경으로서의 임무를 수행하기 위한 과학탐사모드(Science mode)로의 전환은 망원경으로부터 도착하는 데이터를 면밀히 분석하여 문제점을 발견, 보완한 이후에 이루어질 것이라고 합니다.

 

케플러 우주망원경은 2009년 지구와 비슷한 환경을 갖고 있는 외계 행성을 찾기 위한 목적으로 우주공간에 쏘아올려진 망원경입니다.

 

우주를 관측하는 망원경은 크게 지상에 위치한 천문대, 그리고 허블 망원경과 같이 지구 주변을 도는 궤도로 올려진 망원경, 그리고 케플러 망원경과 같이 태양을 중심으로 지구와 비슷하게 공전 궤도를 돌도록 쏘아 올려진 망원경으로 구분할 수 있습니다.

 

태양과 같이 스스로 빛을 발할 수 있는 별을 항성, 지구와 같이 태양과 같은 항성 주변을 공전하고 있는 천체를 행성, 그리고 달과 같이 행성 주변을 도는 천체를 위성이라고 하는데 이 중 밝은 빛을 내며 지구에 상대적으로 가까이 있는 항성이나 태양계 내부의 천체들은 지상에 위치한 천문대의 망원경으로도 관측이 가능하지만, 훨씬 더 먼 우주를 관측하기 위해서는 대기권을 통과하며 잃어버리는 정보를 피하기 위해서 망원경을 지구 대기권 밖으로 올려놓게 됩니다.

 

이렇게 쏘아올려진 망원경들 중 가장 유명한 허블 망원경은 달과 같이 지구 주변을 돌면서 관측을 하고 있지만, 케플러는 이보다 훨씬 더 먼 곳으로 보내져 지구가 아닌 태양을 중심으로 공전궤도를 돌며 그 임무를 수행해 오고 있었습니다.

 

케플러 망원경이 이렇게 먼 궤도로 보내져 임무를 수행하는 이유는 그 목적이 항성이 아닌 행성을 관측하는 것이기 때문입니다. 행성은 지구와 같이 스스로 빛을 내지 못하기 때문에 행성으로부터의 신호를 읽어드리는 것이 아니라 항성으로부터오는 빛의 미세한 차이를 이용하여 관측을 해야하기 때문입니다.

 

케플러 망원경은 항성으로부터의 빛이 항성 앞부분을 행성이 지나갈 때 살짝 가려지는 현상으로 인해 주기적으로 항성의 빛이 어두워지는 현상을 관측함으로써 행성의 존재를 찾아내며, 그 데이터를 분석하여 행성의 크기, 자전 주기, 공전궤도 등의 중요한 값들을 측정할 수 있는 기능을 갖고 있습니다. 

 

2009년 3월에 발사된 케플러 망원경이 궤도에 진입후 첫 관측결과를 지구로 보내준 것은 2010년 1월이었으며, 이 관측데이터를 통해서 NASA는 다섯개의 외행성을 발견하였고, 이들을 케플러 4b, 5b, 6b, 7b, 그리고 8b로 명명했습니다.

 

본래 약 3.5년의 탐사 미션을 목표로 쏘아 올려졌던 케플러 망원경은 2012-13년까지 천여 개가 넘은 외계 행성들을 찾아냈으며, 그 중 약 100여 개의 행성은 지구와 비슷한 환경을 갖을 가능성이 높은 행성들로 확인되었습니다.

 

이렇게 엄청난 양의 데이터를 보내주던 케플러 망원경이 처음 위기를 맞은 것은 2013년 5월이었습니다. 그때도 지금과 같이 케플러 망원경이 안전모드로 전환되었었는데, 당시에는 망원경의 방향을 잡아주는 리엑션 휠(reaction wheel)이라는 장치가 고장난 것이 원인이었습니다.

 

리엑션 휠이라는 장치는 사람의 귀속에 위치한 달팽이관과 같은 역할을 담당하는 장치로서 망원경이 관측을 원하는 방향으로 고정된 자세를 유지하기 위한 필수 장치입니다.

 

이 장치없이 망원경이 자세를 원하는 방향으로 고정하기 위해서는 연료를 분사하는 방법밖에 없는데, 연료를 분사해서 자세를 잡는다면 수 개월만에 망원경에 저장된 연료를 모두 사용하게 되고, 망원경의 수명을 다하게 됩니다.

 

이러한 이유로 리엑션 휠은 망원경의 관측임무에 있어서 매우 중요한 장치이며, 총 네개의 리엑션휠중 세개만 정상작동되면 관측에 문제가 없지만 두개의 리엑션휠이 고장이 남으로써 망원경이 안전모드로 전환되었던 것입니다.

 

안타깝지만 케플러 망원경은 앞서 설명드린 것처럼 가까운 지구 궤도에 있는 것이 아니라 태양을 중심으로 돌고 있기 때문에 우주선을 직접 보내서 수리를 하는 것은 불가능하며, 유일한 수리 방법은 소프트웨어적으로 원격조정을 통해 고장난 부분을 복구하는 것인데, 수개월동안의 노력에도 불구하고 케플러의 고장난 두개의 리엑션휠은 복구되지 못합니다. 하지만, 이 장치를 제외한 모든 부분이 정상적으로 작동하고 있기 때문에 원래 목표한 3.5년간의 관측은 끝냈지만, NASA에서는 매우 흥미로운 방법으로 세컨드 라이트(Second Light) 혹은 K2라 불리는 연상 미션을 시작합니다.

 

케플러 망원경 연구팀은 고장난 두개의 리엑션 휠대신 태양으로부터 오는 태양광의 압력을 이용해서 망원경의 방향을 고정하는 매우 획기적인 아이디어를 내놓습니다.

 

태양빛에 의해서 만들어지는 압력이라는 것은 지구상에서는 거의 느낄 수 없지만, 중력이 거의 없는 우주 공간에서는 망원경을 고정하기 위한 보조 힘으로 사용되기에 충분한 힘이 될 수 있습니다.

 

문제는 태양광의 방향은 우리가 임의로 조정할 수 있는 것이 아니기 때문에 망원경이 태양을 공전하는 동안 태양광이 적절한 방향으로 망원경에게 힘을 가할 수 있는 기간은 약 75일 정도 뿐이며, 이 기간 동안만 케플러 망원경은 행성 관측의 임무를 수행할 수 있게 된 것입니다.

 

하지만, 이는 이미 첫 목표를 달성한 망원경의 연장미션으로 나쁘지 않은 것이기에 2014년 이후 지금까지 이러한 방법으로 K2 미션을 수행해 오고 있었습니다. 이를 통해 케플러 망원경이 현재까지 발견한 행성은 5천 개가 넘으며 태양계 밖에 존재하는 암석질 행성, 생명존재 가능성이 있는 행성들도 포함되어 있으며, 작년에는 지구와 쌍둥이라고 불릴 만큼 지구와 우주 환경이 비슷한 행성을 관측함으로서 세간의 주목을 받기도 했습니다.

 

원래부터 K2 연장미션이 종료되는 시점이 올해이며, 내년에는 케플러보다 훨씬 업그레이드된 TESS, JWST와 같은 신형 망원경들이 궤도에 올려질 예정이기 때문에 앞으로 케플러 망원경의 운용이 어떻게 될지는 이번에 문제를 일으킨 원인에 대한 분석결과가 큰 영향을 미칠 것으로 보입니다. 

 

석준영(비센 학원장)