뉴 프런티어 1 - 뉴 허라이즌스(New Horizons)

뉴 프론티어스(New Frontiers) 계획은 미국 항공우주국(NASA)이 주관하는 우주 탐사 프로그램 중 하나로, 중형급 로봇 탐사를 목표로 하고 있습니다. 이 프로젝트는 행성과학 분야에서 중요한 과학적 질문에 답하고 새로운 탐사 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 뉴 프론티어스 계획은 경쟁 입찰 방식으로 운영되며, 선정된 임무는 NASA의 다른 프로그램보다 비교적 큰 예산을 지원받습니다.

 

현재까지 뉴 프런티어스 계획의 임무로 선정된 것은 4개이며, 그 중 3개는 현재 임무 수행 중, 1개는 최종 승인 후 개발 단계에 있습니다. 그 중 첫번째 임무 뉴 허라이즌스(New Horizons)에 대해 소개해 보도록 하겠습니다.

 

 

1. 뉴 허라이즌스(New Horizons)

뉴 허라이즌스 (출처: NASA)

 

뉴 허라이즌스(New Horizons)는 미국 항공우주국(NASA)의 뉴 프론티어스 계획의 일환으로 명왕성과 태양계 외곽의 카이퍼 벨트를 탐사하기 위해 2006년 1월 19일에 발사된 무인 우주 탐사선입니다. 뉴 허라이즌스는 인류가 처음으로 명왕성에 근접하여 직접 관측한 탐사선으로서, 태양계의 외곽을 탐사하는 데 있어 중요한 역할을 하고 있습니다.

 

 

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2. 뉴 허라이즌스의 주요 목표

뉴 허라이즌스는 1990년대 후반, 명왕성과 태양계 외곽 탐사를 위한 개념으로 제안되었습니다. 주요 목표는 다음과 같습니다.

 

1) 명왕성 탐사

• 명왕성 표면과 지형 연구: 명왕성의 다양한 지형을 분석합니다. 이는 얼음 산맥, 분화구, 평원 등을 포함하며, 각 지형의 형성과정과 구성 물질을 조사합니다. 또한 명왕성의 넓은 질소 얼음 평원인 스푸트니크 평원을 조사하여, 지질학적 활동의 증거를 확인합니다.
• 대기 분석: 명왕성의 대기에서 질소, 메탄, 일산화탄소 등의 성분을 분석하여, 대기의 구조와 기후 변화를 연구하는 것과 더불어 대기의 층상 구조와 안개층을 관찰하고, 태양풍과의 상호작용을 이해합니다.
• 위성 탐사: 명왕성의 가장 큰 위성인 카론의 표면, 지형, 내부 구조를 연구합니다. 카론의 협곡, 산맥, 분화구 등을 상세히 분석합니다. 이 외에도 닉스, 히드라, 케르베로스, 스틱스 등 명왕성의 작은 위성들을 관찰하여 이들의 기원과 궤도를 연구합니다.

2) 카이퍼 벨트 탐사

• 아로코스(2014 MU69) 탐사: 아로코스는 뉴 허라이즌스이 명왕성 탐사 후 탐사할 천체를 찾던 중 허블 망원경을 통해 2014년 6월에 발견된 소행성으로 발견 당시 '2014 MU69'라는 불렸고, 현재는 '아로코스(Arrokoth)' 또는 '울티마 툴레(Ultima Thule)'라 불리고 있습니다. 아로코스는 태양계 형성 초기의 상태를 잘 보존하고 있는 천체로 태양계 초기 물질과 구조에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있었으며, 두 개의 구체가 붙어 있는 이중 엽구형 구조를 가지고 있어 태양계 형성 초기의 소천체들이 어떻게 형성되고 진화했는지 이해할 수 있기에 탐사 대상으로 선택되었습니다.
• 기타 카이퍼 벨트 천체 관찰: 카이퍼 벨트의 다른 천체들을 원거리에서 관찰하여, 이들의 크기, 궤도, 표면 특성을 분석하고, 카이퍼 벨트 천체들 간의 중력적, 물리적 상호작용을 연구합니다.

3) 태양계 기원과 진화 연구

• 태양계 형성 초기 연구: 명왕성과 카이퍼 벨트 천체들이 태양계 형성 초기의 상태를 유지하고 있다고 여겨지기 때문에, 이들을 연구함으로써 태양계의 형성과 진화 과정을 이해하며, 유기물의 분포와 조성을 분석하여, 생명체 형성 가능성을 연구합니다.
• 태양계 외곽 환경 연구: 명왕성과 카이퍼 벨트 천체들이 태양풍과 어떻게 상호작용하는지 연구하여, 태양계 외곽 환경을 이해합니다. 또한 태양계 외곽의 방사선 환경을 측정하여, 우주 탐사 임무에 필요한 데이터를 제공합니다.

 

뉴 허라이즌스는 이와 같은 목표를 달성하기 위해 다양한 과학 장비를 사용하여 데이터를 수집하고 분석해 왔습니다. 현재 뉴 허라이즌스는 이미 명왕성과 카이퍼 벨트 천체 탐사를 마쳤습니다. 그리고 태양계 경계를 넘어 성간 공간으로 이동하면서 태양계 외곽의 환경, 입자, 자기장 등을 연구하고 있습니다.

 

 

 

3. 임무 진행 과정과 주요 성과

설계 및 준비 단계

1990년대 후반, 명왕성과 태양계 외곽 탐사를 위한 개념이 제안된 이후 2001년, NASA는 뉴 프론티어스 계획의 일환으로 뉴 허라이즌스 임무를 승인합니다. 2001년부터 2005년까지 탐사선의 설계, 제작, 시험이 이루어졌으며 2005년, 플로리다주 케이프 커내버럴 공군 기지에서 최종 조립과 발사 전 테스트가 완료되었습니다.

 

발사 및 초기 비행

 

아틀라스 V 로켓 발사 장면 (출처: NASA)

 

2006년 1월 19일, 아틀라스 V 로켓에 실려 발사되었습니다. 2006년 발사 후, 뉴 허라이즌스는 태양계를 벗어나기 위해 목성의 중력을 이용한 플라이바이 기동을 수행했습니다. 2007년 2월, 목성을 근접 통과하며 속도를 증가시키고, 목성의 대기, 자기장, 위성에 대한 데이터를 수집했습니다.

 

※ 플라이바이 기동

뉴 허라이즌스 이동 경로 (출처: NASA)

 

플라이바이 기동(flyby maneuver)은 우주 탐사선이 행성이나 다른 천체의 중력을 이용해 궤도를 변경하거나 속도를 증가시키는 방법입니다. 뉴 허라이즌스 탐사선은 목성의 강한 중력을 이용해 속도를 증가시키고, 명왕성으로 향하는 시간을 단축시켰습니다. 이때 탐사선은 약 2.3백만 킬로미터 거리에서 목성을 통과했으며, 약 4km/s의 속도 증가를 얻었습니다. 시속으로 환산시 이는 약 1만 4천 km/h에 해당하며, 명왕성까지의 비행 시간을 약 3년 단축했습니다.

 

명왕성 탐사

발사 후 8년이 지난 2014년, 명왕성 접근을 위한 최종 준비가 시작되었고, 2015년 초, 명왕성 시스템에 대한 사전 관측과 데이터 수집이 진행되었습니다. 2015년 7월 14일, 뉴 허라이즌스는 명왕성에 가장 가까이 접근하여 약 12,500km 거리에서 명왕성과 그 위성 카론의 고해상도 이미지를 촬영하고 다양한 데이터를 수집했습니다.

 

명왕상 탐사의 주요 성과로 질소 얼음으로 덮인 광활한 평원인 스푸트니크 평원의 지질학적 활동의 증거를 발견했으며, 높이 3,500m에 이르는 얼음 산맥(힐라리 산맥)과 다양한 크기의 분화구를 발견했습니다. 명왕성의 표면이 예상보다 훨씬 다양하고 복잡하며, 지질학적 활동이 활발함을 시사했습니다.

또한 명왕성의 대기에서 여러 층의 푸른 안개를 발견했으며, 대기의 주 성분 구성과 대기가 예상보다 더 멀리까지 확산되어 있음도 확인하였습니다. 위성 카론에 대해서도 깊은 협곡과 산맥, 평원 등을 발견할 수 있었으며 카론 외 닉스, 히드라, 케르베로스, 스틱스 등의 작은 위성들에 대한 데이터를 수집하기도 하였습니다.

 

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명왕성 탐사 후, 수집된 데이터는 2015년부터 2016년까지 약 16개월에 걸쳐 지구로 전송되었습니다. 다음은 뉴 허라이즌스가 촬영한 사진 중 일부입니다.

 

뉴 허라이즌스를 통해 가까이서 본 명왕성 (출처: NASA)

명왕성의 산들 (출처: NASA)

명왕성 일몰 (출처: NASA)

명왕성 스푸트니크 평원 (출처: NASA)

명왕성과 카론 (출처: NASA)

명왕성 뒤편에서 촬영한 실루엣 (출처: NASA)

 

 

카이퍼 벨트 탐사

뉴 허라이즌호의 명왕성 탐사 이후, 2017년부터 뉴 허라이즌스 팀은 탐사선의 궤도 조정과 장비 준비를 비롯한 아로코스 탐사 계획을 준비했습니다. 2019년 1월 1일, 뉴 허라이즌스는 아로코스에 가장 가까이 접근했으며, 탐사선은 약 3,500km 거리에서 아로코스를 통과했습니다.

뉴 허라이즌스 촬영 아로코스 (출처: NASA)

 

아로코스의 이중 엽구형 구조는 두 개의 구체가 저속으로 충돌해 합쳐진 형태로, 태양계 형성 초기의 소천체들의 결합 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하였습니다.

 

아로코스 탐사 이후, 뉴 허라이즌스는 카이퍼 벨트의 다른 천체들을 원거리에서 관찰하며, 크기, 궤도, 표면 특성 등을 분석했습니다. 앞서 언급했듯이 뉴 허라이즌스는 초기 명왕성 목표는 이루었지만, 이후에도 태양계 외곽 탐사를 계속하며 태양계 초기의 상태와 외곽 환경에 대한 중요한 데이터를 제공하고 있습니다.

 

 

뉴 허라이즌스는 인류 역사상 최초로 명왕성을 근접 탐사한 탐사선인 동시에 카이퍼 벨트 천체를 탐사한 최초의 탐사선이기도 합니다. 뉴 허라이즌스를 통해 명왕성에 대한 많은 미지의 부분을 밝혀냈으며, 태양계와  태양계 외곽의 작은 천체들을 연구하는 데 있어 중요한 첫 걸음이 되었습니다. 그리고 뉴 허라이즌스는 여전히 그 여정을 계속하고 있습니다.