중국 화성 궤도선, 성간 천체 3I/ATLAS 역사적 촬영

붉은 행성에서 촬영된 희귀한 우주 방문자

현재 화성 궤도를 돌고 있는 중국의 톈원 1호 탐사선이 심우주 탐사에서 중요한 이정표를 세웠다. 탐사선은 태양계 바깥에서 온 희귀 천체인 혜성 3I/ATLAS의 상세한 영상을 성공적으로 촬영했다. 2025년 10월 초 이뤄진 이번 관측은 성간 ‘방문자’를 화성 궤도에서 촬영한 첫 사례로, 멀리 떨어져 빠르게 움직이는 천체를 감시하는 능력이 크게 발전했음을 보여준다. 혜성은 중국 궤도선에서 약 3,000만 킬로미터 떨어진 곳에서 초속 58킬로미터의 놀라운 속도로 이동하는 모습이 관측됐다. 이번 전례 없는 관측은 다른 항성계에서 형성된 천체의 구성과 궤도를 연구하는 국제 과학계에 귀중한 자료를 제공한다.

중국 국가항천국(CNSA)이 공개한 영상에는 혜성의 핵과 기체 코마가 선명하게 담겨 있어 구조를 심층 분석할 수 있다. 이번 작업은 원래 화성 표면 지도를 작성하도록 설계된 톈원 1호 장비의 한계를 시험했다. 임무의 성공은 탐사선 장비가 심우주에서 고속 표적을 추적하는 데도 활용될 수 있음을 보여준다. 고해상도 카메라로 수집한 데이터는 베이징의 지상 응용 시스템으로 전송돼 처리·표시됐다. 이곳에서 특수 알고리즘이 여러 차례 노출한 영상을 처리해 이후 대중에게 공개된 선명한 이미지를 만들었다.

먼 항성계의 비밀이 드러나다

3I/ATLAS가 화성 가까이를 지나간 것은 단순한 사진 촬영을 넘어서는 특별한 기회를 과학자들에게 제공했다. 성간 천체는 모항성계의 화학적·물리적 조건에 관한 중요한 정보를 담고 있어 진정한 우주 타임캡슐로 여겨진다. 혜성의 구성 성분을 분석하면 은하의 다른 지역에서 행성이 형성되는 과정에 관한 세부 정보를 밝힐 수 있다. 이는 우리 태양계만을 바탕으로 한 이론 모델을 실증적으로 보완한다. 혜성에서 방출된 모든 기체 분자와 먼지 조각에는 먼 항성 환경의 흔적이 담겨 있어, 천문학자들은 수광년 떨어진 세계를 간접적으로 연구할 수 있다.

CNSA에 따르면 3I/ATLAS는 우리은하 중심부 인근의 오래된 별 주변에서 형성됐을 가능성이 있으며, 추정 연령은 약 30억~110억 년이다. 태양계보다 더 오래됐을 수도 있다는 뜻이다. 외계 행성의 구성과 진화, 초기 항성의 역사를 밝혀줄 희귀한 표본이다. 과학자들은 이 혜성이 차가운 원시행성계 원반에서 기원했다고 추정한다. 물 얼음, 이산화탄소, 일산화탄소 같은 휘발성 물질이 수십억 년 동안 보존될 수 있는 먼 지역이다. 이러한 성분의 스펙트럼 분석은 혜성이 태어난 성운의 온도와 밀도를 알아내는 데 필수적이다. 이 조건을 이해해야 우리 태양계를 포함한 행성계가 시간에 따라 어떻게 진화하는지에 관한 이론을 정교하게 다듬을 수 있다.

혜성 3I/ATLAS는 천문학자들이 확인한 세 번째 성간 방문자로, 2017년 ‘오우무아무아와 2019년 2I/보리소프에 이어 발견됐다. 2025년 7월 칠레 리오 우르타도에 있는 ATLAS(소행성 지구충돌 최종 경보 시스템) 망원경으로 처음 발견됐다. 궤적 분석을 통해 태양계 밖에서 왔다는 사실이 신속히 확인됐다. 궤적은 쌍곡선으로, 행성계 외부에서 기원했음을 보여주는 명확한 수학적 증거다.

태양계 내부의 혜성이나 소행성이 타원 궤도를 도는 것과 달리, 쌍곡선 궤도는 천체가 태양의 중력을 벗어날 만큼 충분한 속도를 지녔다는 뜻이다. 이에 따라 천체는 우주 이웃을 잠시 지나간 뒤에도 성간 공간을 계속 여행할 수 있다. 혜성은 10월 말 태양에 가장 가까이 접근했으며, 거리는 약 1.4천문단위, 즉 2억1,000만 킬로미터로 화성 궤도 바로 안쪽이었다.

전례 없는 궤도 공학 기동

톈원 1호가 혜성 3I/ATLAS의 영상을 촬영한 것은 세심하고 혁신적인 계획이 필요한 공학적 성과였다. HiRIC으로 알려진 탐사선의 고해상도 카메라는 화성 지형을 정밀하게 촬영하도록 개발됐다. 이는 어두운 우주를 배경으로 희미하게 빛나는 작은 천체가 빠르게 움직이는 모습을 추적하는 것과는 근본적으로 다른 작업이다. 목표를 이루기 위해 지상의 임무팀은 관측 전략을 처음부터 새로 마련해야 했다.

항공우주 지식 잡지의 왕야난 편집장은 글로벌타임스에 이번 성과의 의미를 설명했다. 그는 원래 화성 탐사용으로 설계된 톈원 1호가 화성 궤도에서 이처럼 먼 천체를 촬영할 수 있었다고 말했다. 이는 행성 탐사를 위해 발사된 우주선이 훨씬 더 먼 천체를 관측하는 새로운 플랫폼으로 활용될 수 있음을 시사한다. 왕 편집장은 광학 센서를 극도로 먼 지점에 정확히 맞추고 다시 조준하려면 궤도 운용 중 정밀한 자세 제어가 필요하며, 여러 축을 함께 조정해야 할 수도 있다고 지적했다. 이번 작업은 궤도 관측과 자세 제어를 종합적으로 시험한 사례다.

준비 과정에서는 탐사선의 표적 조준 시스템을 전면 재보정하고, 혜성의 예측 궤적에 장비를 맞추기 위해 정밀한 궤도 기동을 수행했다. 팀은 이상적인 노출 시간을 정하기 위해 철저한 시뮬레이션을 진행했다. 탐사선과 혜성 사이의 상대 운동으로 영상이 흐려지지 않도록 노출 시간은 짧아야 했지만, 핵과 코마에서 반사되는 희미한 빛을 포착할 만큼 길어야 했다. 관측 시간이 불과 몇 분에 그쳤던 만큼 장비의 열적 안정성도 중요한 요소였다. 렌즈와 센서가 최적의 온도 범위에서 작동하도록 조정해야 했다.

3I/ATLAS는 멀리 떨어져 있고 지름도 약 5.6킬로미터로 작아 촬영이 특히 어려웠다. 여기에 성간 천체와 궤도선이 이동하는 속도까지 더해져 난도가 한층 높아졌다. 3I/ATLAS는 초속 약 58킬로미터로 이동하는 반면 궤도선의 상대 속도는 초속 86킬로미터다. 또한 HiRIC 카메라는 화성 표면의 밝은 지형을 관측하도록 설계됐다.

CNSA에 따르면 이렇게 멀고 비교적 희미한 표적을 촬영한 것은 이번이 처음이었다. 표적의 밝기는 화성 표면의 지형보다 1만~10만 배 어두웠다. 이번 임무는 희미한 표적을 감지하는 고해상도 카메라의 성능을 한계까지 시험했다. 유럽우주국(ESA)의 마스 익스프레스와 엑소마스 추적 가스 궤도선도 각각 고해상도 스테레오 카메라와 컬러·스테레오 표면 영상 시스템을 이용해 촬영했으며, 노출 시간과 감도 면에서 비슷한 어려움에 부딪혔다.

혜성 구성에 관한 초기 단서

톈원 1호가 수집한 스펙트럼 자료와 초기 영상은 이미 3I/ATLAS의 성격을 보여주는 중요한 단서를 제공하고 있다. 사진에는 암석과 여러 종류의 얼음이 섞여 있을 것으로 보이는 조밀하고 뚜렷한 핵이 담겼다. 표면에서 반사된 빛을 분석한 결과, 모항성에서 멀리 떨어진 추운 지역에서 형성된 천체에서 흔히 나타나는 붉은색 유기 먼지가 존재하는 것으로 보인다. 그러나 흥미롭게도 10월 말 공개된 출판 전 논문은 이 혜성이 “태양보다 뚜렷하게 더 푸르게 보인다”고 밝혀 먼지 구성에 관한 과학적 수수께끼를 낳았다.

또한 다른 임무의 분광기는 표면에서 승화하는 물 얼음과 이산화탄소의 흔적, 그리고 미량의 일산화탄소를 포착했다. 이는 전형적인 혜성 활동을 확인해준다. 이 혜성은 드문 반꼬리가 생기고 화학 조성이 특이한 등 뚜렷한 활동 징후를 보였다. 가장 최근에는 천체의 경로가 약간 바뀌었고 상당한 질량을 잃었을 가능성도 제기됐다. 이는 혜성에서 기체가 분출되고 그 결과 가속도가 변하고 있다는 징후다.

3I/ATLAS 관측은 중국 우주 당국만의 독자적인 사업이 아니었다. 화성 궤도에 국제적인 탐사선 편대가 있어 공동 관측 캠페인이 가능했다. 덕분에 천체에 관해 수집한 자료의 양과 질이 크게 향상됐다. 유럽우주국(ESA)과 미국 항공우주국(NASA)도 궤도선을 동원해 혜성 코마의 기체 성분을 연구하고, 핵을 더 높은 해상도로 촬영하려 했다.

갈릴레오 프로젝트 책임자이자 하버드대 천문학과장을 지낸 아비 로에브는 3I/ATLAS의 최고 해상도 영상이 NASA의 화성 정찰 궤도선에 탑재된 HiRISE 카메라로 촬영됐다고 밝혔다. 구경 50센티미터인 이 카메라는 픽셀당 약 30킬로미터의 공간 해상도를 구현했다. 화성 표면에서는 퍼서비어런스와 큐리오시티 로버가 화성 하늘에서 혜성을 찾아 관측하도록 프로그램돼 지상에서만 얻을 수 있는 독특한 시각을 제공했다.

심우주에서 입증된 중국 임무의 다재다능함

톈원 1호 임무팀에 혜성 추적 작업의 성공은 화성 연구라는 주 임무를 넘어 탐사선의 역량을 엄격히 시험한 결과였다. 이번 기동의 성공은 궤도선의 항법 및 자세 제어 시스템이 유연하고 견고하다는 점을 입증했다. 이 성과로 향후 기회가 생기면 우주선을 관측 임무에 투입할 수 있게 됐다. CNSA는 희미한 천체를 관측하는 능력 덕분에 유용한 기술 시험을 수행하고 경험을 쌓을 수 있었다고 밝혔다.

왕야난은 센서를 지정된 방향에 맞추기 위한 이 같은 정밀한 궤도상 조정이 미래 소행성 탐사 임무에 필수적인 기술이라고 강조했다. 그는 중국 우주 프로그램이 국제 사회와 성과를 공유하는 원칙을 꾸준히 지켜왔다고 말했다. 주요 우주 개발국의 관측 자원과 정보를 한데 모으면 인류가 이 신비로운 천체를 더 잘 이해할 수 있다. 이번 관측 성공은 톈원 1호의 중요한 성과로, 외계 행성 연구에 관한 인류의 지식을 발전시키는 데 큰 의미를 지닌 ‘뜻밖의 수확’이다.

2020년 7월 발사된 톈원 1호 임무는 중국 우주 탐사 역사에서 이정표로 꼽힌다. 탐사선은 2021년 2월 화성 궤도에 진입했고, 같은 해 5월 주룽 로버를 성공적으로 착륙시켰다. 현재 궤도선은 지도를 작성하는 임무를 이어가며 붉은 행성에 관한 과학 지식을 넓히고 있다. 화성 궤도에서 4년 넘게 안정적으로 운용되고 있다.

3I/ATLAS 관측으로 쌓은 경험은 향후 중국의 임무, 특히 톈원 2호에 매우 귀중한 것으로 평가된다. 2025년 5월 발사된 톈원 2호의 야심 찬 목표는 지구 근접 소행성의 표본을 채취하고 주 소행성대 혜성을 연구하는 것이다. 성간 천체를 관측하며 개발한 절차는 새롭고 복잡한 심우주 탐사 임무에 직접 적용될 예정이다. 톈원 1호에서 진행한 기술 시험은 톈원 2호가 앞두고 있는 조우에 필요한 고도 기동 능력을 갖추는 토대가 된다.

핵심 내용

• 톈원 1호가 2025년 10월 초 화성 궤도에서 성간 혜성 3I/ATLAS를 촬영했다.
• 이 혜성은 ‘오우무아무아와 2I/보리소프에 이어 세 번째로 확인된 성간 천체다.
• 약 3,000만 킬로미터 거리에서 관측이 이뤄졌다.
• 혜성은 초속 58킬로미터로 이동하며, 궤도선과의 상대 속도는 초속 86킬로미터다.
• 이번 기동은 밝은 화성 표면을 촬영하도록 설계된 HiRIC 카메라의 성능을 한계까지 시험했다.
• 3I/ATLAS의 나이는 30억~110억 년으로 추정된다.
• 수집된 자료는 다른 항성계의 구성과 행성 형성 과정을 파악할 단서를 제공한다.
• 이번 성공은 중국의 톈원 2호 소행성 표본 귀환 임무 준비에도 도움이 된다.
• 국제 화성 궤도선과 로버들이 협력해 천체를 연구했다.