우주를 누비는 탐사선의 스윙바이와 스윙바이에 대한 의문점

우주를 누비는 탐사선

우주 망원경을 통해서 우주를 관찰할 수 있는 방법이 있지만 지구에서 망원경으로 우주를 보는 범위에는 한계가 있습니다. 그래서 과학자들은 탐사선을 우주로 보내 좀 더 넓은 우주를 확인하려는 시도를 계속하고 있습니다. 지금까지 많은 탐사선이 우주로 날아가 임무를 수행했고 지금 몇십 년째 우주를 날아가고 있는 탐사선도 있습니다. 탐사선에는 사람이 타고 있지 않기 때문에 상황에 따라 중간에 경로를 변경하기 어렵고 탐사선을 한번 쏘아 올리는 데는 천문학적인 자본이 투입되기 때문에 사전에 철저한 계획이 필요합니다. 이번 글에서는 탐사선이 어떻게 우주를 여행해 목적지에 도착하는지 알아보도록 하겠습니다.

돌아가는 방법이 더 이로울 때가 있다.

탐사선이 달이나 다른 천체에 도달하기 위해서 목적지까지 최단 거리를 일직선으로 날아갈 것이라고 생각하는 사람들이 많습니다. 과연 일직선으로 날아가는 것이 가장 빠르게 도착할 수 있는 방법일까요? 실제로는 불가능한 일입니다. 가장 가까운 달에 탐사선을 보낼 때조차도 달까지 직선 주행을 하진 않았습니다.

탐사선이 발사되면 짧게는 몇 시간 길게는 며칠 동안 지구 주변을 돌게 됩니다. 궤도를 안정화시키는 것입니다. 그 이후 조금씩 속도를 높여 궤도를 타원형으로 늘어뜨리며 지구에서부터 천천히 멀어집니다. 그렇게 지구 중력권을 점차 벗어나면 속도를 올려 본격적으로 지구를 떠납니다. 지구 중력을 뚫고 수직으로 우주로 나가려면 많은 에너지가 필요하기 때문에 연료 소모가 많습니다. 그 대신 지구를 맴돌며 조금씩 중력의 간섭을 벗어난다면 시간은 오래 걸리지만 훨씬 적은 연료로 지구를 빠져나갈 수 있습니다.

지구 중력의 영향을 벗어나면 탐사선은 태양 중력의 영향을 받습니다. 이제 탐사선은 목적지로의 본격적인 여행을 시작하게 됩니다. 목적지에 정확히 도달하기 위해서는 탐사선이 그리는 궤도가 목적지 행성의 궤도와 교차할 수 있도록 계산해야 합니다. 정확한 계산으로 목적지 행성의 궤도에 안착했다면 지구를 빠져나가기 위해 천천히 맴돌았던 것처럼 속도를 점차 낮추며 목표 행성에 궤도를 안정화시킵니다.

스윙 바이

탐사선은 더 멀고 더 작은 행성까지 가기 위해서 최대한 많은 정거장을 들릅니다. 화성, 목성 등 거쳐 가는 길목에 있는 행성의 중력의 힘을 빌려 탐사선의 속도를 높일 수 있기 때문입니다. 이는 긴 여정에 부족한 연료를 아껴 태양계 저 끝까지 나아가는 추진력을 얻는 방법입니다. 속도뿐만 아니라 방향 전환에도 주변 행성을 활용합니다. 주변 행성의 중력에 이끌려 갔다가 중력권을 벗어나며 경로 변경이 가능하기 때문입니다. 텅 빈 우주공간에서 탐사선은 가스를 내뿜는 방향과 세기로 경로를 바꾸는데, 이때 연료가 필요합니다. 연료가 충분하다면 방향을 자유자재로 바꾸며 목적지를 향해 날아가겠지만, 장거리 비행을 위해 연료 한 방울이 아쉬운 상황에서 주변 행성의 도움은 고마운 존재라고 할 수 있습니다. 이렇게 비행 가운데 천체를 만나 속도를 높이고 방향을 전환하는 방법을 '스윙 바이'라고 합니다. 모든 탐사선은 스윙 바이합니다. 지구도 행성으로 중요한 정거장 역할을 하기 때문입니다. 지구에서 쏘아 올린 탐사선은 지구 중력의 영향을 받아 속도를 높이고 초기 방향을 설정하는 항법을 활용합니다.

천체의 위치가 절묘하게 맞아떨어지면 특별히 연료를 쓰지 않고도 태양계 전체를 빠져나갈 만큼의 추진력을 얻는 경우도 있습니다. 1977년 보이저 2호를 발사할 때 79년 목성을 시작으로 80년 토성, 86년 천왕성, 89년 해왕성까지 스윙 바이를 이어갈 수 있었습니다. 우연히도 행성들이 해당 시간에 해당 공간에 위치해 줬기에 가능한 일이었습니다. 덕분에 보이저호는 한 번의 여행으로 태양계의 행성들을 모두 관찰할 수 있는 기회를 잡게 되었습니다. 지금도 보이저호는 해왕성에서 얻은 추진력으로 태양계를 거의 벗어나는 중입니다.

대부분의 탐사선이 스윙 바이 할 때 거치는 정거장이 하나 있는데, 바로 목성입니다. 목성은 태양계의 어떤 행성보다도 질량이 크고 중력이 강합니다. 그래서 목성을 스윙 바이 한다면 가속을 크게 붙일 수 있고 방향 전환도 효율적으로 가능합니다. 조금 돌아가더라도 연료를 절약하기 위해 큰 행성을 거치는 것이 이득인 것입니다.

스윙 바이에 대한 의문점

효율적인 탐사선 발사를 위해 연구하던 천문학자들은 스윙 바이로 경로를 계산하며 한 가지 의문스러운 점을 발견했습니다. 스윙 바이를 거친 탐사선의 속도 변화가 중력의 도움만으로 가속했다고 하기에는 충분하지 않았던 것입니다. 스윙 바이 이후 실제 탐사선의 속도를 확인한 결과 사전에 천문학자들이 계산한 속력보다 조금 더 빠른 속력을 얻거나 조금 더 느린 속력을 얻는 경우가 많았습니다. 미세한 차이가 결과의 변화를 초래할 수 있기에 천문학자들은 이 현상의 원인을 밝혀내고자 했습니다. 이에 대해 몇 가지 가설이 있는데 가장 유력한 것은 행성이 회전하며 그 주변의 시공간을 왜곡하고 그 시공간을 따라 탐사선이 움직이면 약간의 가속이 더 붙을 수 있다는 것입니다. 이 가설을 증명하기 위해 천문학자들은 우주 망원경을 올려 실험했는데, 천체 주변을 돌던 망원경의 시야가 점차 변화하는 것을 확인하며 실제로 천체가 주변 시공간을 왜곡함을 확인했습니다.

우주 탐사선은 인간이 가지 못한 우주 곳곳을 누비며 이 순간에도 우주의 신비를 파헤치고 있습니다. 앞서 예로든 보이저호는 발사 후 약 40년의 비행으로 이제 태양계의 끝까지 도달하였고, 이제 태양계 너머를 코앞에 두고 있습니다. 미지의 세계로 우리를 인도해 줄 탐사선, 탐사선이 보내올 우주의 신비가 벌써 기대됩니다.