부엌 주방 저울 위에 동전 네 개를 올려놓으면 정확히 10그램이 표시된다. 일상적인 요리에서 이 정도 분량은 고기 한 접시의 간을 맞추기에도 부족한 미미한 무게다.
2026년 10월 20일 이른 아침, 일본 가고시마현 다네가시마 우주센터에서 대형 로켓이 하늘로 솟아올랐다. 우주선은 앞으로 5년에 걸쳐 화성계를 왕복하는 대장정에 들어선다. 이 무인 탐사선의 유일무이한 목표는 바로 그 동전 네 개 무게에 불과한 외계 토양을 지구로 가져오는 것이다.
수억 킬로미터를 가로질러 가져오는 동전 네 개 무게의 흙
오늘 아침 일본 H3 로켓이 화성 위성 탐사선 MMX를 싣고 성공적으로 발사되었다. 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)가 주도하는 이 프로젝트에는 약 4톤급 탐사선이 투입되어 심우주 항해를 시작했다.
탐사선은 1년 가까이 우주를 비행해 2027년 8월 화성 궤도에 도착할 예정이다. 이후 화성의 가장 큰 위성인 포보스 주위를 3년 동안 돌며 정밀 관측을 펼친 뒤 표면에 착륙해 샘플을 채취한다. 모든 과정을 마친 귀환 캡슐은 2031년에 지구로 귀환한다.
내태양계에서 지구 외에 자연 위성을 가진 행성은 화성이 유일하다. 화성은 포보스와 데이모스라는 두 개의 작은 위성을 거느리고 있다. 그중 크기가 더 큰 포보스는 울퉁불퉁한 감자 모양을 하고 있으며 지름이 약 20킬로미터에 불과하다. 자동차로 도시 하나를 가로지르는 거리에 지나지 않는 크기다. 우주선은 이 작은 천체를 직접 방문하기 위해 수억 킬로미터의 심우주를 날아간다.
10그램의 샘플은 건포도 두 알 정도의 매우 적은 분량처럼 들린다. 하지만 천체의 중력권을 탈출해 지구로 돌아와야 하는 심우주 탐사에서는 가져오는 화물이 1그램만 늘어나도 막대한 양의 추진 연료가 추가로 필요하다. 지구의 최첨단 정밀 분석 장비들에게는 단 몇 그램의 순수한 외계 가루만으로도 전 세계 연구진이 수십 년간 분석을 이어가기에 충분하다.
사진: 화성과 포보스 상공을 비행하는 MMX 탐사선. 출처: JAXA/BBC.
소형 로버가 먼저 탐색하고 두 가지 채취 장치로 흙을 담는다
중력이 거의 없는 소천체 표면에서 흙을 채취하는 기술적 난도는 과거 달 착륙 임무를 훨씬 뛰어넘는다. 포보스 표면의 중력은 지구의 약 천분의 일에 불과하다. 탐사선이 표면에 살짝 닿기만 해도 그 반동으로 튕겨 나가 우주 공간으로 날아가 버릴 위험이 있다.
이 착륙 위험을 극복하기 위해 기술진은 단계적 탐사 방식을 고안했다. 탐사선 본체가 착륙하기 전에 프랑스와 독일이 공동 개발한 ‘이데픽스(Idefix)‘라는 초소형 탐사차를 먼저 표면에 투하한다. 무게 약 25킬로그램에 전자레인지 크기인 이 로버는 미세 중력 속을 구르고 이동하며 표면 토양의 강도와 단단함을 미리 측정한다.
로버가 보내온 관측 데이터를 바탕으로 지상 관제팀은 평평하고 안전한 착륙 지점을 선정한다. 이후 MMX 모선은 포보스 표면에 두 번의 짧은 착륙을 시도한다. 각 착륙 시간은 수십 분에 불과하지만 서로 다른 두 종류의 샘플 채취 장비가 가동된다.
첫 번째 장치는 기계식 코어 드릴로, 표면 아래 2센티미터 깊이까지 뚫고 들어가 단단한 암석 파편을 추출한다. 두 번째 장치는 압축 공기를 뿜어내어 표면의 고운 먼지를 용기 안으로 불어 넣는 공압식 채취기다. 이러한 이중 안전장치를 통해 최소 10그램의 시료를 확실하게 확보할 계획이다.
밀봉된 귀환 캡슐은 2031년 지구 대기권에 재진입하여 호주 남부의 광활한 우메라 사막에 낙하산으로 착륙하게 된다. 채취된 시료의 약 15퍼센트는 미국 항공우주국(NASA) 존슨 우주센터에 배분될 예정이다.
사진: 발사, 관측, 착륙 채취부터 지구 귀환까지 이어지는 MMX의 전체 여정. 출처: JAXA/BBC.
10그램의 광물 조각이 풀어낼 위성의 출생 비밀
과학자들이 이 소량의 흙을 그토록 갈망하는 이유는 포보스의 기원이 천문학계의 오랜 수수께끼로 남아있기 때문이다. 지난 반세기 동안 행성과학자들은 포보스의 기원을 두고 두 가지 상반된 가설로 나뉘어 치열한 논쟁을 벌여왔다.
첫 번째 가설은 ‘거대 충돌 파편설’이다. 태양계 초기 거대한 천체가 화성에 충돌하면서 화성의 지각 암석이 대량으로 튕겨 나갔고, 궤도를 돌던 파편들이 뭉쳐 두 개의 위성이 되었다는 설명이다.
두 번째 가설은 ‘외래 소행성 포획설’이다. 소행성대 바깥쪽을 떠돌던 소행성이 화성 근처를 지나가다가 화성의 중력에 이끌려 궤도에 갇혔다는 가설이다.
이 두 가지 기원은 토양 속에 남겨진 광물학적 지문에서 확연한 차이를 보인다. 시료 분석 전문가인 세라 러셀(Sara Russell) 박사는 “샘플을 손에 넣는 즉시 거대한 충돌로 녹아내린 암석 파편인지, 아니면 포획된 원시 소행성인지 바로 판별할 수 있다”고 설명한다. 만약 샘플에 화성 암석이 고온으로 녹았다가 굳은 흔적이 있다면 충돌설이 입증되고, 원시 유기물과 수분을 머금은 광물이 풍부하다면 포획설이 입증된다.
사진: 화성과 감자 모양의 두 위성인 포보스 및 데이모스. 출처: NASA/BBC.
화성의 태고 유적을 간직한 우주의 수신기
이번 채취 여정에는 또 다른 기대 이상의 성과가 숨어 있다. 포보스는 태양계에서 행성과 가장 가까운 거리를 공전하는 위성으로, 화성 표면과의 거리가 약 6000킬로미터에 불과하다. 이는 지구의 대륙 간 횡단 비행거리보다도 가깝다. 포보스 표면에서 하늘을 올려다보면 붉은 화성이 시야의 절반을 가득 채울 정도다.
이렇게 극단적으로 가깝다 보니 포보스는 수십억 년 동안 화성에서 날아온 파편을 받아내는 ‘받침대’ 역할을 해왔다. 소행성이 화성에 충돌할 때마다 수많은 지표면 파편이 우주 공간으로 분출되었고, 근처를 돌던 포보스는 이 먼지 구름을 정면으로 통과하며 화성 물질을 자신의 표토층에 차곡차곡 가두어 두었다.
물리적 모델 시뮬레이션에 따르면 포보스 표면 흙의 수 퍼센트는 화성에서 튕겨 나온 물질로 추정된다. 화성 본토의 바위들은 대기와 바람, 물의 침식 작용으로 인해 수십억 년 동안 풍화되고 마모되었다. 하지만 공기가 없는 포보스의 진공 환경 속에 보존된 입자들은 수십억 년 전 초기 화성의 내부 정보를 완벽하게 얼려둔 타임캡슐과 같다.
사진: 화성 정찰 위성(MRO)이 포착한 포보스의 분화구 표면. 출처: 애리조나 대학교, JPL-Caltech/NASA/Science News.
지구 환경의 오염을 피하기 위한 직접 채취
어떤 이들은 지구에 떨어진 화성 운석을 분석하면 충분하지 않느냐고 질문할 수도 있다. 그러나 지구에서 발견되는 화성 운석은 매우 드물 뿐만 아니라, 지표면에 떨어지는 순간 대기 중의 수분과 공기, 무수한 미생물에 오염된다. 우주 공간에서 밀봉 캡슐에 담아 직접 가져오는 시료만이 외계 천체의 훼손되지 않은 순수한 지질학적 기록을 제공할 수 있다.
과학자들은 미량의 샘플이 가진 잠재력에 강한 확신을 보이고 있다. NASA의 마이클 졸렌스키(Michael Zolensky) 연구원은 “단 몇 그램의 샘플일지라도 연구자들에게는 진정한 보물”이라고 강조한다. 행성과학자인 크리사 아브델리두(Chrysa Avdellidou) 교수 역시 “과학을 발전시키는 데 수 킬로그램의 바위가 필요한 것은 아니며, 단 1그램마다 귀중한 가치가 담겨 있다”고 밝혔다. 오늘날의 최첨단 질량분석 장비는 미세한 가루 몇 알갱이만으로도 광물의 나이와 성분을 완벽히 분석해 낼 수 있다.
포보스 탐사는 우주 탐사 역사상 가장 까다로운 난제 중 하나였다. 지난 수십 년 동안 화성 위성을 겨냥한 세 번의 임무가 모두 추진 장치나 통신 결함으로 실패했다. 한편 NASA의 화성 표면 시료 채취 반환(MSR) 사업은 예산 문제로 지연되고 있으며, 중국은 2028년 화성 시료 채취를 계획하고 있다. 오늘 아침 힘차게 날아오른 MMX는 인류 역사상 화성계의 순수한 흙을 지구로 가장 먼저 가져오는 주인공이 될 가능성이 매우 높다.
주방 저울 위에서 10그램의 흙은 깃털처럼 가볍게 느껴진다. 하지만 2031년 호주의 황무지로 배달될 이 작은 알갱이들은 그 결정 구조 속에 담긴 단서를 통해 위성의 탄생 신비를 직접 들려줄 것이다. 손바닥에 올려놓을 작은 흙 한 줌이 태양계의 역사를 새롭게 밝힐 준비를 하고 있다.
참고 링크:
- BBC 보도
- Science News 보도
