소행성 충돌 현장에 '사고 조사관'이 도착한다 — ESA 헤라의 마지막 제동

 

2022년 9월 26일, 인류는 처음으로 천체의 운동을 일부러 바꿔 놓았습니다. NASA의 탐사선 DART가 약 1,100만 킬로미터 떨어진 곳에서 소행성 디모르포스에 충돌한 것입니다. 냉장고만 한 탐사선이 시속 2만 킬로미터가 넘는 속도로 부딪혔고, 지상의 망원경이 그 결과를 재 봤습니다. 디모르포스가 짝꿍 소행성 디디모스를 도는 주기가 11시간 55분에서 11시간 23분 안팎으로 짧아져 있었습니다. 동료 검토를 거친 최종 측정값은 33.0분 단축, 오차는 1분 수준입니다. 충돌만으로 예상한 변화가 7분 정도였으니, 실제로는 그 네 배가 넘게 움직인 셈입니다.

그런데 여기서 이상한 일이 벌어집니다. 성공을 확인했는데, 정작 왜 그렇게 많이 움직였는지는 설명할 수 없었던 것입니다. 충돌 때 튀어 나간 파편이 로켓처럼 반작용을 만들며 소행성을 추가로 밀었다는 것이 지금까지의 설명입니다. 그 효과를 나타내는 운동량 전달 배율은 밀도를 어떻게 가정하느냐에 따라 2.2에서 4.9 사이로 추정 폭이 넓고, 두 소행성의 밀도가 같다고 가정하면 3.61 정도로 계산됩니다. 문제는 이 숫자들이 전부 '디모르포스의 무게를 모르는 상태'에서 나온 추정이라는 점입니다. 무게를 모르면, 다음에 진짜 위협이 왔을 때 얼마나 세게 때려야 하는지도 정확히 계산할 수 없습니다.

바로 그 빈칸을 채우러 가는 탐사선이 유럽우주국 ESA의 헤라입니다. 헤라는 2024년 10월 7일 팰컨 9 로켓에 실려 발사됐고, 2025년 3월에는 화성을 스쳐 지나며 중력의 도움을 받아 궤도를 조정했습니다. ESA는 헤라의 역할을 '충돌 현장의 근접 조사'라고 부릅니다. 사고가 난 자리에 뒤늦게 도착한 조사관처럼, 분화구가 실제로 생겼는지, 소행성의 모양 자체가 바뀌지는 않았는지, 그리고 무게가 정확히 얼마인지를 현장에서 재는 것이 임무입니다.

지구에서 잴 수 있는 것과 없는 것의 경계는 분명합니다. 망원경은 두 소행성이 서로를 가리는 시간을 재서 궤도 주기를 정밀하게 알아낼 수 있지만, 표면에 생긴 분화구의 깊이나 내부가 단단한 바위인지 자갈 더미인지는 빛의 점만으로는 알 수 없습니다. DART가 충돌 직후 남긴 사진도 마찬가지입니다. 충돌 순간 튀어 오른 먼지 구름과 길게 늘어진 꼬리는 멀리서 관측됐지만, 정작 충돌 지점이 지금 어떤 모습인지는 4년이 지난 지금까지 아무도 본 적이 없습니다. 헤라가 가는 이유는 결국 이 한 문장으로 모입니다. 잴 수 없는 것은, 가서 재야 합니다.

디모르포스는 평균 지름 약 150미터, 디디모스는 700미터가 넘는 소행성입니다. 둘이 짝을 이룬 쌍소행성계인데, 이런 쌍에 탐사선이 랑데부하는 것은 헤라가 처음입니다. 크기로만 보면 디모르포스는 대피라미드만 한 바위 덩어리입니다. 지구에 위협이 되지 않는 대상으로 골라 실험한 것이지만, 만약 이 정도 크기의 소행성이 도시 위로 떨어진다면 이야기는 완전히 달라집니다. 그래서 이 실험의 기록은 장난이 아니라 보험 설계도에 가깝습니다.

헤라 혼자 가는 것도 아닙니다. 작은 큐브샛 두 기를 품고 있습니다. 유벤타스는 소행성 내부를 레이더로 들여다보는 첫 시도를 맡고, 임무 후반에는 디모르포스에 착륙하는 시도까지 예정돼 있습니다. 밀라니는 표면과 먼지의 성분을 조사합니다. 본체가 멀리서 전체를 재는 동안, 두 기가 가까이에서 속을 들여다보는 구조입니다. 다만 착륙은 어디까지나 '시도 예정'입니다. 성공했다고 미리 쓸 단계는 아닙니다.

여정 자체도 그냥 날아간 2년은 아니었습니다. 헤라는 가는 길에 화성을 스쳐 지나며 속도와 방향을 얻는 중력 도움을 받았고, 그 길에 화성의 작은 위성 데이모스를 관측하는 덤까지 챙겼습니다. 발사 전부터 정해진 궤도를 따라간 것이 아니라, 도중에 궤도를 고치는 심우주 기동을 거치며 목표를 좁혀 온 것입니다. 올해 7월에는 탐사선의 소프트웨어 업그레이드까지 마쳤습니다. 도착 직전의 제동이 실패하면 안 되는 이유가 여기 있습니다. 2년 동안 쌓아 올린 조준이, 마지막 몇 번의 연소에서 완성되기 때문입니다.

무게를 재는 방법도 미리 정해져 있습니다. 탐사선이 소행성 곁을 돌 때 중력이 탐사선을 얼마나 끌어당기는지를 전파 신호의 미세한 변화로 읽으면, 직접 저울에 올리지 않고도 질량을 역으로 계산할 수 있습니다. 여기에 큐브샛 두 기가 더 가까이에서 중력의 흔들림을 재면, 내부에 빈 공간이 많은 자갈 더미인지 속이 찬 바위인지까지 가려낼 단서가 생깁니다. DART의 효과를 가른 변수가 바로 이 내부 구조였기 때문에, 헤라의 질량 측정은 단순한 스펙 확인이 아니라 2022년 실험 전체의 답안지 채점에 가깝습니다.

그리고 지금, 헤라는 임무에서 가장 긴장되는 구간을 지나고 있습니다. 지난 10월 15일에는 93분에 걸친 첫 번째 제동 연소를 수행했습니다. 소행성계와 속도를 맞추기 위해 수백 미터 매 초 단위로 속도를 줄이는 작업입니다. 10월 22일에는 두 번째 제동 연소가 실제로 이뤄졌습니다. ESA 헤라 팀이 10월 23일 전한 내용에 따르면, 약 31분 동안 엔진을 태워 표적을 향한 상대 속도를 초속 70미터 줄였어요. 처음에는 전체의 90퍼센트만 태워 결과를 확인한 뒤, 나머지 10퍼센트를 그날 오후에 마치는 신중한 방식을 택했습니다. 지금 헤라는 표적에서 약 2,300킬로미터 떨어진 거리에서 초속 20미터로 다가가고 있고, 10월 25일에서 31일 사이에는 속도를 0에 가깝게 맞추는 작은 조정 연소가 세 차례 이어질 예정입니다.

목표는 이미 눈에 들어와 있습니다. 발사 정확히 2년이 된 지난 10월 7일, 헤라는 약 23만 6,500킬로미터 거리에서 디디모스를 처음으로 촬영했습니다. 사진 속 목표는 한 픽셀짜리 빛점 하나였습니다. 2년을 날아와 마침내 상대가 화면에 들어온 것입니다. 그런데도 아직 23만 킬로미터 이상 떨어져 있고, 속도는 초속 킬로미터 단위로 어긋나 있습니다. 제동 연소가 왜 이렇게 길고 신중한지, 이 거리감이 설명해 줍니다.

일정에는 반가운 변화도 있습니다. 당초 계획에서 도착은 12월 말로 잡혀 있었는데, ESA의 최신 안내는 도착이 11월로, 약 한 달 앞당겨졌다고 전합니다. 정확한 날짜는 ESA가 공개하지 않았습니다. 그래서 이 글에서도 도착은 '11월 예정'까지만 적습니다. 다음 달이면 4년 전 충돌 현장의 첫 근접 사진이 도착한다는 뜻이고, 그때는 이 글의 후속편이 자연스럽게 이어질 수 있습니다.

도착한 뒤의 조사 방식도 단계적입니다. 처음에는 25킬로미터에서 30킬로미터 거리에서 전체의 모양과 무게, 움직임을 재고, 이후 10킬로미터, 4킬로미터로 거리를 좁혀 갑니다. 실험 단계에서는 디모르포스에서 약 1킬로미터까지 다가가는 운용도 계획돼 있습니다. 전체 조사는 약 6개월이 걸리고, 큐브샛 두 기의 분리는 2027년 초로 예정돼 있습니다. 멀리서 재고, 가까이서 확인하고, 마지막에 안쪽까지 들여다보는 순서입니다.

이 임무가 닫으려는 질문을 정리하면 이렇습니다. 첫째, 디모르포스의 정확한 질량은 얼마인가. 둘째, 충돌은 분화구를 남겼는가, 아니면 소행성 전체의 모양을 바꿨는가. 셋째, 파편의 반작용은 실제로 얼마나 컸는가. 이 세 가지가 확정되면 2022년의 성공은 '운 좋게 잘된 한 번'에서 '계산하고 반복할 수 있는 기술'로 바뀝니다. 행성 방어라는 말은 그때 비로소 기술이라는 이름을 얻을 수 있습니다.

물론 이 기술이 실제로 쓰이는 날에는 조건이 하나 더 붙습니다. 위협이 되는 소행성을 아주 일찍 발견해야 한다는 것입니다. 궤도를 바꾸는 데 필요한 힘은 경고 시간이 길수록 작아지기 때문입니다. 수년 전에 알면 살짝 밀어도 되지만, 몇 달 전에 알면 훨씬 세게 때려야 합니다. 그래서 헤라의 측정값은 충돌 기술만의 자료가 아닙니다. 발견과 추적, 충돌과 확인을 하나의 체계로 묶는 행성 방어 전체의 기준값이 됩니다.

생각해 보면 인류의 안전 기술은 늘 이런 순서로 완성됐습니다. 먼저 해 보고, 그다음에 현장으로 돌아가 재는 것입니다. 비행기 사고 조사가 항공을 안전하게 만들었듯이, 소행성 충돌의 현장 조사도 지구를 지키는 기술을 단단하게 만들 차례입니다. 때리는 데 성공한 이야기는 이미 2022년에 끝났습니다. 이제부터는 맞은 자리를 확인하는 이야기가 시작됩니다.

두 번째 연소가 무사히 끝난 지금, 헤라는 사실상 도착 카운트다운에 들어갔습니다. 다음 달 도착 소식이 전해지면, 분화구의 첫 사진과 함께 다시 전해 드리겠습니다. 4년 전 그날, 망원경으로만 보던 빛점이 어떻게 변해 있을지, 함께 지켜보시죠.

데이터 출처: 유럽우주국(ESA) 헤라 임무 발표와 일정 안내, 프랑스 국립우주연구센터(CNES) 헤라 프로젝트 자료, DART 궤도 주기 변화와 운동량 전달 배율은 동료 검토 논문(Nature, 2023) 기준. 도착 시점은 ESA 최신 안내에 따라 11월 예정으로만 표기했고, 큐브샛 착륙은 시도 예정 단계입니다. 제동 연소 결과는 10월 23일 ESA 헤라 팀의 연소 결과 발표(Orbinauts 보도 인용)를 바탕으로 정리했습니다.