0. 목차
- 화성에 생명이 존재할까?
- 큐리오시티의 착륙
- 큐리오시티에 탑재된 10개의 관측 장치
- 큐리오시티의 성과
1. 화성에 생명이 존재할까?
1-1. 38억 년 전의 화성
현재 화성에는 건조한 사막 같은 대지가 펼쳐져 있다. 평균 기온도 -50℃ 밖에 되지 않는 극한의 땅이다. 하지만 38억 년 전에 화성은 광대한 바다로 덮여 있었다. 화산 활동도 활발해서 대기 중의 이산화탄소가 높고, 온실 효과로 기후도 온난했다고 한다. 38억 년 전의 화성은 생명이 탄생할 무렵의 지구와 비슷한 환경이었다.
생명의 탄생에는 바다의 존재가 밀접하게 관련되어 있다고 생각된다. 그래서 지구와 마찬가지로 바다가 있었던 화성에도, 지구와 같은 식으로 생명이 탄생했다고 생각해도 이상할 것이 없다. '미 항공우주국(NASA: National Aeronautics and Space Administration)'의 많은 과학자들은 지구 밖에서 생명이 존재하거나 존재했을 가능성이 가장 높은 곳으로 화성을 생각하고 있다.
1-2. 화성에서 생명이 탄생했다면?
지구에서는 생명 탄생 후 30억 년 이상 동안 바닷속에서 생물의 진화가 계속되었다. 한편, 화성은 지구보다 작고 태양에서 멀기 때문에, 빨리 식었다. 화산 활동이 사라졌으며, 물은 얼음이 되어 지하에 저장되었다. 화성에 바다가 존재했던 기간은 몇억 년에서 약 10억 년 정도로 추측된다. 지구의 생명 진화 속도와 비슷하다고 생각하면, 생명이 탄생했다고 해도 바닷속에서 광합성을 하는 생물이 탄생하기에는 시간이 부족했다고 보는 과학자들도 있다.
한편, 화성에서 생명이 탄생했다면 지금도 반드시 생존해 있다고 생각하는 과학자들도 많다. 분명히 현재의 화성 환경은 기온은 낮고 건조하며 기압도 낮아 생물에게 가혹한 것은 맞다. 하지만 지구상에도 '사막', '심해', '남극' 같은 극한 환경에서 살아가는 생물들이 분명히 있다. 예컨대 어떤 종류의 생물은 저온이나 저압에서도 살 수 있으며, 토양 밑으로 몇 cm 들어가면 자외선의 영향도 문제가 되지 않는다고 한다. 따라서 현재 화성에 생물이 살아있다고 해도 이상한 일은 아니다.
지구상의 가혹한 환경에서도 생물은 살아가고 있다. 아래의 표는 생물이 생존할 수 있는 환경과 생물의 예를 정리한 것이다.
| 환경 | 수치 등 | 생존하는 생물의 예 |
| 고온 | 122℃ | 고세균의 일종 |
| 산성 | pH0 | '조류'의 일종인 키아니다움목, 페로플라스마과의 고세균 등 |
| 알칼리성 | pH12.5 | 알칼리필루스과의 세균 |
| 고염분 | 염의 결정 속 | 할로박테리움과의 고세균 |
| 방사선 | 9000 그레이 | 데이노코커스과의 세균 |
| 고압 | 1000기압 이상 | 심해저에 사는 호압균 |
| 건조 | 몇 년 이상 | 이끼류, 시아노박테리아, 아프리카깔다구 등 |
| 진공 | 우주 공간 | 완보동물, 미생물의 포자, 데이노코커스과의 세균 등 |
1-3. 메탄의 분출이 예측되었다.
아래의 그림은 NASA의 연구팀 등이 2009년에 발표한 화성의 '메탄(Methan)' 농도이다. 붉은색 지역에서는 메탄의 농도가 높고, 보라색 지역에서는 낮다. 이 화성의 메탄 분포는 화와이 마우나케아 산 정상에 있는 적외선 망원경 'IRTF(Infrared Telescope Facility)'와 'W. M. 켁 천문대 (W. M. Keck Observatory)'의 10m 망원경을 이용해, 화성의 대기를 상세히 관측한 결과를 바탕으로 만들어진 것이다.
메탄은 특정한 빛의 파장을 흡수한다는 사실이 알려져 있다. 따라서 화성으로부터 오는 빛을 파장마다 나누어 분석하면, 화성의 대기에 존재하는 메탄의 양을 측정할 수 있다. 화성은 지구와 마찬가지로 사계절이 존재하는데, 이 관측은 화성의 모든 계절에 걸쳐 이루어졌다. 그 결과, 화성 북반구의 봄~여름 시기에 저위도의 몇 군데 지역에서 메탄이 대량하고 분출하고 있음이 밝혀졌다. 그 지역 중 하나에서는 분출량이 무려 1만 9000톤에 이르렀다. 연구팀은 따뜻한 계절이 되어 얼어붙은 땅이 녹아서 생긴 틈이나 균열로부터, 땅속에 고여있던 메탄이 방출된 것이 아닌가 추측하고 있다.
1-4. 메탄은 진짜 있는가?
하지만 이 결과에 대해 의문을 제기하는 과학자들도 많다. NASA의 이 연구 결과가 측정 장비의 오차라고 생각한 것이다. 그리고 '큐리오시티(Curiosity)'는 대기 속의 메탄의 양을 고감도로 관측할 수 있지만, 큐리오시티의 초기 분석 결과에서는 대기 속에서 메탄을 검출할 수 없었다. 화성에 진짜 메탄이 있는지는 점점 미궁 속으로 빠져들고 있었다.
그러다 2019년, NASA의 발표에 과학계가 크게 출렁였다. 화성의 '게일 화구(Gale Crater)' 주변 지표를 누비고 있는 '큐리오시티'가 고농도의 메탄을 대기 중에서 발견했다는 소식이 2019년 5월 19일에 알려졌기 때문이다. 수치는 21ppb였다. 10억 개의 기체 분자 가운데 21개꼴로 메탄이 감지됐다는 얘기다. 매우 적은 수치처럼 보이지만 화성에서 발견된 메탄 농도로서는 최고치였다. 그래서 NASA는 메탄이 갖는 무게감 때문에, 큐리오시티에 예정됐던 다른 탐사 계획을 즉각 취소하고 메탄 추가 측정에 나서도록 명령했다. 그리고 2019년 5월 24일에 그 결과가 드디어 나왔다. 그 결과, 새 측정치는 1ppb에도 미치지 못했다. 사실상 메탄이 안 나온 것이나 마찬가지였다. 화성의 메탄 농도가 급격하게 변한 것이다.
그러면 메탄 농도가 이렇게 널뛰듯 변했을까? 이에 대해서는 아직 모른다. 계절에 따라 메탄 농도가 변한다는 것은 관측된 적이 있지만, 이에 대한 정확한 원인은 규명되어 있지 않다. 메탄은 생명체에서만 뿜어져 나오는 것이 아니라는 점도 문제다. 땅 밑의 지질 활동의 결과로도 메탄은 분출될 수 있으며, 예전에 존재했던 생명체가 뿜어낸 메탄이 지하에 갇혀 있다가 조금씩 대기 중으로 방출되고 있을 가능성도 배제할 수 없다.
2. 큐리오시티의 착륙
'큐리오시티(Curiosity)'의 무게는 약 900kg이나 되어 경차와 거의 같은 정도이다. 이 무거운 탐사차를 안전하게 착륙시키기 위해서, NASA는 전례 없는 복잡한 착륙 방법을 채택하였다. '스카이 크레인(Sky Crane)'이라는 기계를 이용해, 쇠줄로 매단 탐사차를 화성 표면에 천천히 내린 것이다.
큐리오시티가 화성의 대기권에 돌입하고 나서 착륙하기까지, 7분간의 착륙 미션 도중에 어떤 문제가 생겨도 화성과 지구 사이의 통신에는 편도 14분이 걸리기 때문에 지구에서 도움을 줄 수는 없다. 14분이 걸려 큐리오시티의 신호가 지구에 도달하고, 무사히 착륙했음이 알려지자 NASA의 관제실은 환희로 넘쳤다. 그 후 화성의 영상이 차례로 전송되어 왔다. 기기의 작동 확인이 이루어졌고, 기다리고 기다리던 관측이 시작되었다.
2-1. 화성 대기권에 진입하였다.
큐리오시티는 2011년 11월 26일에 발사되었다. 그리고 2012년 8월 5일, 미국 태평양 여름 시간으로 오후 10시 10분, 큐리오시티는 화성의 대기권에 돌입하기 시작했다.
아래의 그림은 대기권에 돌입하는 모습을 그린 것이다. 이 시점에서 큐리오시티는 대기권 돌입 때의 열과 압력으로부터 보호하기 위해 '에어로셀(Aeroshell)' 내부에 들어 있다. 뒷면에 있는 작은 로켓 엔진을 분사해 진행 방향을 조정한다.
2-2. 낙하 속도를 줄이고 강하속도을 줄여나갔다.
고도 11km 부근까지 내려오면 아래의 그림과 같이 지름 약 16m의 낙하산을 펼치고 강하 속도를 감속한다. 시속 3000km에 가까운 강하 속도는 그 10분의 1 이하까지 감속된다. 그림에서는 '에어로셸(Aeroshell)' 아래쪽의 내열 실드가 벗겨진 이후의 상태이다. 에어로셸 내부에 '큐리오시티(Curiosity)'와 '스카이 크레인(Sky Crane)'이 보인다.
2-3. 에어로셸과 분리 된 후, 화성 표면으로 다가간다.
고도 1.6km 부근에서 큐리오시티는, 지면으로 큐리오시티를 내리기 위한 기계인 '스카이 크레인(Sky Crane)'과 함께 에어로셸에서 분리된다. 스카이 크레인이 로켓 엔진을 지면을 향해 분사하고 강하속도를 늦추면서 화성으로 다가간다. 고도 20m 부근까지 내려가면, 쇠줄을 뻗어 큐리오시티를 내리기 시작한다. 이때 강하 속도는 시속 약 2.7km까지 감속되고, 착륙되면 큐리오시티는 쇠줄에서 분리된다. 역할을 다한 '스카이 크레인'은 조금 거리가 먼곳에 낙하한다. 아래의 그림은 '큐리오시티'를 내리는 '스카이 크레인'의 모습이다.
3. 큐리오시티에 탑재된 10개의 관측 장치
'큐리오시티(Curiosity)'는 '미 항공우주국(NASA)'의 '화성 과학 실험실(MSL: Mars Science Laboratory)' 계획을 위한 화성 탐사차이다. 약 900kg의 중량을 갖고 있고, 로봇팔을 제외하면 전체길이 3m의 소형 자동차만한 크기로, 지금까지의 화성 탐사차 중에서 가장 크다. 관측 장치의 무게도 80kg이나 된다.
큐리오시티는 크게 나누어 10종의 관측장치를 탑재하고 있다. 큐리오시티의 탑재 장치는 아래에 정리해 두었다.또 큐리오시티의 특징적인 관측 장치 중 하나가 '캠캄(ChemCam)'이라는 화학 분석 카메라이다. 시료에 레이저를 비추어, 고온이 된 시료에서 발생하는 빛의 파장을 관측하면, 시료에 어떠한 원소가 포함되어 있는지 광물 조성을 알 수 있다. 시료 대상인 암석에서 7m 떨어져 있어도 관측할 수 있기 때문에, 손쉽게 이동할 수 없는 화성에서 기대되는 장치이다.
- 화성 샘플 분석 장치(SAM: Sample Analysis at Mars): 시료를 가열해 생긴 가스나 대기를 분석한다. 유기물의 발견이나 대기 환경의 변화 등의 규명을 목표로 한다.
- ChemCam: 시료에 레이저를 비추어, 고온이 된 시료에서 나오는 빛을 관측한다. 시료의 광물 조성을 분석한다.
- Mastcam: 메가 픽셀 단위의 화소 수를 가진 2대의 카메라로 구성되어 있다. 동영상도 촬영한다.
- APXS(Alpha Particle X-ray Spectrometer): 로봇팔의 끝에 있는 분석장치로, '알파 입자'나 'X선'을 방출해 그 반사를 측정하여 원소 조성을 분석한다.
- MAHLI(Mars Hand Lens Imager): 로봇팔의 끝에 있는 확대경 카메라로, 1m 거리에서 0.5mm의 해성도로 암석의 구조나 지질 구조를 관찰한다.
- CheMin(Chemistry and Mineralogy): X선 회절로, 시료의 광물 조성을 밝힌다.
- RAD(Radiation Assessment Detector): 태양이나 우주에서 오는 고에너지 입자를 측정한다.
- REMS(Rover Environmental Monitoring Station): 풍속, 풍향, 대기압, 상대 습도, 기온, 지표면 온도, 자외선의 양을 측정한다.
- DAN(Dynamic Albedo of Neutrons): 지표에서 중성자의 양을 측정해, 지표 아래의 수분을 조사한다.
- MARDI(Mars Descent Imager): 화성에 도달할 때 지표의 모습을 찍는 카메라
3-1. 화성 샘플 분석 장치(SAM)
'큐리오시티(Curiosity)'의 탑재 장비 가운데 가장 중요한 역할을 담당하는 것은 '화성 샘플 분석 장치(SAM: Sample Analysis at Mars)'이다. 탑재된 10종의 장비 가운데 가장 거대하며, 중량은 약 40kg으로 관측 장비 전체 중량의 절반 정도를 차지한다. 생명에 관계되는 유기물의 탐색은 SAM이 실시한다.
로봇팔에 있는 삽으로 토양을 퍼올려 SAM에 넣고 700~800℃로 가열해 생긴 가스를 '기체 크로마토그래피(Gas Chromatography)' 등의 장비로 분석한다. '크로마토그래피(Chromatography)'란 크로마토그래피는 다양한 분자들이 섞여 있는 혼합체로부터 이들을 분리하는 실험 방법이다. 이 작업을 통해 유기물의 종류와 양을 잴 수 있다. 그리고 대기를 장비에 넣어, 대기 속의 메탄의 양 등을 고감도로 검출할 수도 있다.
SAM은 주로 '세 가지 장비(TLS, QMS, GC)'로 이루어져 있다. 'TLS(Tunable Laser Spectrometer)'에서는 메탄과 이산화탄소 등의 양을 재다. 질량 분석계인 'QMS(Quadrupole Mass Spectrometer)'는 탄소, 수소, 질소, 황 등 원소의 양을 잰다. 'GC(Gas Chromatograph)'에서는 주로 유기물을 검출한다. 'SSIT(Solid Sample Inlet Tubes)'는 투입구이다. 분석을 위해 샘플을 넣는 용기는 장비 안에 74개가 있다. 한정된 분석 횟수 때문에 신중하게 샘플이 선택되어야 한다.
3-2. 로봇팔의 끝에 있는 장비
또 큐리오시티는 1.9m 앞까지 뻗을 수 있는 팔을 탑재하고 있다. 팔 끝부분에는 'MAHLI', 'APXS'가 탑재되어 있다. 로봇팔의 맨 끝부분만 해도 폭이 60cm, 무게는 약 33kg이나 된다. 큐리오시티의 로봇팔의 맨 끝에는 시료 채취를 위한 장비가 탑재되어 있다. 드릴과 삽도 탑재되어 있으며, 채취 중에 만약 드릴이 움직이지 않을 경우, 드릴을 끝을 잘라내고 대체품을 바꿀 수도 있다.
3-3. 원자력 전지(Nuclear Battery)
2004년에 착륙한 화성 탐사차인 '스피릿(Spirit)'과 '오퍼튜니티(Opportunity)'는 태양광 전지판으로 전력을 보충한다. 그래서 계절 변화에 따른 태양광의 감소나 모래먼지의 영향을 받아 전력 공급이 불안정했다. 그래도 스피릿이나 오퍼튜니티는 당초 3개월이던 활동 예정 기간을 훨씬 넘겨, 활동을 계속할 수 있었다. 스피릿은 6년을 활동했고, 오퍼튜니티는 9년을 활동했다.
한편, 큐리오시티의 예정된 최저 활동 기간은 '1화성년(지구의 약 687일)'이고, 탑재된 '원자력 전지(Nuclear Battery)'의 수명은 최저 14년이다. 큐리오시티에 탑재된 원자력 전지는 '플루토늄 238(Plutonium 238)'이 붕괴할 때의 열을 이용해 발전한다.
4. 큐리오시티의 성과
4-1. 게일 화구(Gale Crater)
큐리오시티가 착륙한 곳은 화성의 '게일 화구(Gale Crater)'이다. 이 화구에서는 이제까지 선회 위성의 조사를 통해 물의 흔적이 발견되었다. 그래서 만약 생명이 있다면, 이곳에서 유기물 등의 흔적을 발견할 가능성이 높다고 기대된다.
아래의 사진은 큐리오시티가 게일 화구의 중앙 방향을 촬영한 파노라마 영상의 일부이다. 게일 화구의 중앙에는 중앙 봉우리를 형성하는 산인 '샤프 산(Mount Sartp)'이 있다. '샤프 산'의 정식 명칭은 '아일리온스 몬스(Aeolis Mons)'이다. 화구 바닥으로부터 높이가 5000m를 넘는 높은 산인데, 큐리오시티는 이 산의 기슭까지 올라가 지질 조사를 하였다. 이 지역을 탐사한 결과, 큐리오시티는 물이 일시에 사라져버린 것이 아니라는 사실을 밝혀냈다.
4-2. 바람에 의해 깍인 화구의 내부
기압은 낮지만 강한 바람이 부는 화성에서는 바람에 의해 침식이 심하게 일어난다. 아래의 사진은 '록네스트(Rocknest)'라는 곳에서 큐리오시티가 화구의 중앙 방향을 폭착한 파노라마 영상의 일부이다. 침식으로 표면의 퇴적층이 깎이고, 단단한 암반이 노출된 모습이 포착되었다. 아래 사진에서 오른쪽 위에 보이는 것이 '샤프 산(Mount Sharp)'이다.
4-3. 샤프 산의 기슭
아래의 사진은 큐리오시티가 2016년 9월에 포착한 샤프 산의 기슭의 퇴적 지층에 흩어진 암석이다. 이 퇴적물은 이제까지의 선회 위성 등의 탐사로 볼 때 화구 안에 생긴 호수에서 퇴적되었다고 추측된다. 그래서 이 지층을 탐사하면, 과거의 생명의 흔적이나 호수가 생길 때의 화성 환경을 밝힐 수 있을 것으로 기대된다.
4-4. 록네스트 (Rocknest)
아래의 사진는 '게일 화구' 내에 있는 '록네스트(Rocknest)' 평원 모습이다. 이 지역에는 현무암으로 생각되는 검은 돌이 많이 있다. 화구 안에 현무암이 많다는 것은, 화구가 형성된 다음 화구 안에서 화산 활동이 있었다는 의미로 보인다. 앞으로의 관측을 통해 게일 화구 안의 화산 활동의 모습도 규명될 수 있을 것으로 기대된다.
또 록네스트 평원에서 채취한 토양 샘플에 대한 성분을 분석해 본 결과, 상당한 양의 물 분자와 황, 염소 유기 화합물, 탄소 유기물질 등이 검출되었다. 토양 샘플에서 물 분자가 검출되는 것은 흔한 일이다. 하지만 나사 과학자들은 발견된 물 분자의 양이 당초 예상했던 것보다 훨씬 많은 것으로 추정된다고 밝혔다. 탄소 유기물질은 지구의 기본 구성물질로 생물체를 만드는 중요 구성 원소이다.
4-5. 옐로나이프 만 (Yellowknife Bay)
아래 사진은 '게일 화구' 내부에 있는 '옐로나이프 만(Yellowknife Bay)'이라 불리는 지역에서 조사 중이 큐리오시티가 자신을 촬영한 것이다. 로봇팔은 사진에서 보이지 않으며, 여러 장의 영상을 합성하였다. 이곳은 큐리오시티가 드릴로 암석을 최초로 조사한 기념할 만한 장소이다. 화성에서 암석에 구멍을 뚫고 시료를 채취한 것은 큐리오시티가 처음이다.
아래의 사진은 옐로나이프 만에서는 촬영된 판 모양의 암석이 많이 튀어나온 불가사의한 광경이다. 판 모양의 암석은 노출된 퇴적암이다. 이런 퇴적암은 토사가 물의 흐름에 의해 하류로 이동했을 때 형성된다. 강 밑에는 모래 알맹이의 크기와 유속에 따라 침식된 장소와 퇴적된 장소가 번갈아 나타나 파도 모양의 구조가 생긴다. 그것이 강바닥 면에 대해 비탈면으로 남는 것이다. 그 후, 노출된 퇴적암이 갈라져 현재와 같은 광경이 된 것으로 생각된다.
4-6. 샤프 산의 전체 모습
아래의 사진은 큐리오시티가 촬영한 '샤프 산'의 전체 모습이다. 여러 장의 사진을 합성했으며, 화구 바닥에서 정상까지의 높이가 5000m를 넘는 거대한 산의 전체 모습을 볼 수 있다. 산 전체는 3층 구조로 되어 있으며, 색깔 차이는 각각의 층에 포함된 암석의 성분 차이를 나타낸다. 산기슭에서는 위에서 소개한 것처럼 퇴적 지층이 노출되어 있기 때문에 힘줄 모양의 무늬가 보인다. 큐리오시티는 퇴적 지층까지 이동해 생명의 흔적을 조사한다.
큐리오 시티가 착륙한 '게일 화구'는 30억 년 전에 운석의 충돌로 형성되었다고 생각된다. 그 후 화구 위에 호수가 형성되었고, 호수의 바닥에 퇴적물이 쌓였다. 그리고 호수가 바싹 마른 다음에 바람 등의 영향으로 퇴적물이 침식되어 현재와 같은 모양이 되었다고 한다. 화구 안에 있는 샤프산의 기슭에는 바람에 의한 침식으로 수십억 년 전에 퇴적된 층이 노출되어 있다. 큐리오시티는 이 퇴적층을 조사하였는데, 호수에 의해 형성된 그 지층에서 생명에서 유래한 유기물을 발견하였다. 그리고 퇴적암의 지층을 아래에서 위까지 차례로 조사해서 조성이 어떻게 변하는가를 파악하면, 호수가 있었던 시대의 환경이 어떻게 변했는지도 알 수 있다.
4-7. 킴벌리 (The Kimberley)
큐리오시티가 2012년 8월에 화성에 착륙한 이래, 약 6km를 나아가 2014년 4월에 '킴벌리(The Kimberley)'라는 지점에 도달했다. 이곳은 전망이 좋기 때문에 큐리오시티는 많은 영상을 촬영해 전송했다. 또 지질 조사도 했다.
4-8. 화성의 석양
아래의 사진은 2015년 4월 15일, 큐리오시티가 게일 화구에서 저녁 하늘을 관찰하다가, '마스트캠(Mastcam)'을 사용해 포착한 화성의 석양이다. 먼지는 대기 중에 높이 떠 있는 상태로 남아있다. 화성의 엷은 대기는 태양광의 파란색을 산란시키지 않는 데 비해, 대기 속을 떠다니는 티끌이나 먼지는 빨간색을 산란시킨다. 따라서 화성에서는 석양이 푸른색을 띤 것처럼 보인다.
4-9. 더스트 데블 (Dust Devil)
아래에 보이는 것은 '더스트 데블(Dust Devil)'이라는 회오리바람이다. 더스트 데블 가운데 가장 큰 것은 높이 10km, 지름 수십에서 수백 m에 이르기도 한다. 바람이 강한 화성 위에서는 빈번하게 더스트 데블이 발생하는 것 같다. '더스트 데블'은 지표에서 대량의 먼지를 감아올린다. 먼지 아래의 층은 먼지보다 더 어두운 색까을 하고 있다. 이 때문에 더스트 데블이 먼지를 감아올리면서 지나간 자취에는 검은색 줄이 생긴다. 하지만 더스트 데블에 의해 드러난 층 위에 다시 먼지가 쌓이기 때문에, 낙서 무늬는 곧 바뀐다.
4-10. 대기 변화의 증거
큐리오시티는 암석의 조성이나 대기 성분도 이제까지의 탐사차에는 없던 정밀도로 수행할 수 있다. 이미 대기 중의 이산화탄소 분자 안의 산소나 탄소의 동위 원소 비율 분석을 통해, 과거에 대기 중에 대량으로 있던 이산화탄소가 우주 공간으로 사라지고 지금에 이르렀다는 사실이 밝혀졌다. 또 관측 지점에서는 대기 중에서 메탄이 검출되지 않았다.