일본, 2031년 포보스 시료와 화성 흔적 가능성 담은 MMX 발사

다른 세계의 시료 최소 10그램을 향한 5년 여정

일본의 화성 위성 탐사선 MMX가 작지만 야심 찬 목표를 안고 화성을 향해 발사됐다. 2031년 화성의 위성 포보스에서 물질을 최소 10그램 채취해 지구로 가져오는 것이다. 채취한 알갱이에는 화성에서 튕겨 나온 파편도 섞여 있을 수 있다. 직접 화성 시료를 가져오려는 계획들이 비용과 기술 문제에 부딪혀 난항을 겪는 가운데, 과학자들은 이 임무를 통해 화성 물질을 연구할 기회를 얻을 수 있다.

MMX로 불리는 이 임무는 10월 20일 오전 4시 41분(일본 표준시), 다네가시마 우주센터에서 H3 로켓에 실려 발사됐다. 미국 동부 시간으로는 10월 19일이다. 약 71분 뒤 우주선은 로켓에서 분리돼 통신을 시작했고 태양전지판을 펼쳤다.

일본우주항공연구개발기구(JAXA)의 MMX 프로젝트 매니저인 야스히로 가와카쓰는 분리 이후 우주선의 상태를 이렇게 설명했다.

지금까지는 순조롭습니다.

JAXA의 MMX 임무 개요에 따르면 우주선은 화성의 두 위성을 관측하고, 본 탐사선에 앞서 로버를 보내며, 포보스에서 시료를 채취한 뒤 호주에서 귀환 캡슐을 회수할 예정이다. 목표량은 총 10그램 이상이며, 착륙 때마다 정해진 양을 반드시 채취한다는 뜻은 아니다.

MMX는 2010년과 2020년에 각각 소행성 이토카와와 류구의 시료를 가져온 일본의 하야부사 임무를 잇는다. 이번 목적지는 새로운 난제를 안고 있다. 작은 위성 가까이에서 작업하는 동안 훨씬 큰 화성이 계속 우주선을 끌어당기기 때문이다.

야마카와 히로시 JAXA 이사장은 발사 성공을 선언하며 임무의 시작을 이렇게 표현했다.

5년에 걸친 긴 여정이 막 시작됐습니다.

발사에서 호주 착륙까지 어떤 일이 벌어지나?

MMX는 이듬해 8월 화성에 도착할 것으로 예상되며, 이후 약 3년 동안 화성과 그 위성들을 조사한다. 지구로 돌아오는 데에는 다시 약 1년이 걸릴 전망이다.

JAXA의 MMX 프로젝트 페이지는 일본 회계연도 기준으로 큰 틀의 일정을 제시한다. 2026 회계연도에 발사하고 2027 회계연도에 화성 궤도에 진입한 뒤 2031 회계연도에 귀환한다는 계획이다. 일본의 회계연도는 4월에 시작하며, 임무의 상세 공개 일정에는 2031년 달력 연도 중 지구 귀환으로 나와 있다.

• 2026년 10월 20일, 일본 시간: MMX가 H3 로켓에 실려 다네가시마에서 발사된다.
• 2027년 8월: 우주선이 화성에 도착해 관측 임무를 시작할 예정이다.
• 2028년 말 또는 2029년 초: 운용 전망에 따르면 이 시기에 이데픽스 로버를 투하하고, 이후 2029년에 우주선이 착륙할 가능성이 있다. JAXA의 공개 임무 일정은 상세 관측과 시료 채취 활동을 2030년으로 묶어 제시한다.
• 2030년: MMX는 화성을 떠날 예정이며, 발사 관련 보도에서는 출발 시점으로 11월을 제시했다.
• 2031년: 시료를 실은 캡슐이 호주에 착륙한 뒤 시료가 일본으로 옮겨질 예정이다.

더 작은 화성 위성인 데이모스도 관측 대상이다. MMX는 거리 관측과 근접 비행을 통해 데이모스를 연구할 계획이다. 상세 시료 채취 계획은 포보스를 대상으로 하며, 데이모스는 우주선 관측으로 조사한다.

두 위성의 기원을 설명하기 어려운 이유는?

포보스의 지름은 약 22킬로미터이며 화성 표면에서 약 6,000킬로미터 떨어진 궤도를 돌고, 하루에 약 세 바퀴를 돈다. 데이모스는 지름 약 12킬로미터로 더 작다. 두 위성 모두 크고 둥근 지구의 달과는 생김새가 다르다.

두 가지 유력한 설명이 위성의 기원을 두고 맞서고 있다. 포획설에 따르면 두 위성은 원래 소행성이었으며 화성의 중력에 붙잡혔다. 거대 충돌설에 따르면 충돌로 화성의 물질이 우주로 튀어나온 뒤 일부가 뭉쳐 위성이 됐다.

두 위성의 어두운 표면은 원시 소행성 일부와 닮아 포획설을 뒷받침한다. 반면 화성 적도면을 따라 거의 원형으로 도는 궤도는 충돌 파편 고리에서 형성됐다는 설명에 더 잘 들어맞는다. 화성의 중력이 비교적 약하다는 점도 지나가던 소행성을 온전한 상태로 붙잡기 어렵게 한다.

NASA의 태양계 소천체 담당 수석 과학자인 톰 스태틀러는 MMX가 두 설명을 어떻게 검증할지 이렇게 설명했다.

화성의 위성에 가서 가까이서 조사하고 시료를 지구로 가져오면, 포보스 물질의 성분이 소행성에 더 가까운지, 아니면 화성이 관여한 충돌로 생긴 파편에 더 가까운지 알아낼 수 있을 것입니다.

알갱이는 물과 행성의 역사를 어떻게 밝힐 수 있나?

실험실 측정으로 거대한 충돌 때 가열된 물질과 고대 소행성 내부에 보존된 물질을 구분할 수 있다. 거대 충돌로 유리질 암석이나 극심한 압력에 변형된 광물이 생길 수 있고, 물을 비롯해 쉽게 기화하는 물질이 사라졌다는 흔적이 남을 수도 있다.

소행성 기원이라면 탄소가 풍부한 물질과 점토, 유기화합물이 발견될 가능성이 있다. 유기화합물은 탄소를 포함하는 화학물질로, 생명체에서 중요한 역할을 하는 물질도 여기에 속한다. 과학자들은 주변 광물과 함께 유기화합물의 구성과 형성 과정을 살필 예정이다.

물의 화학적 특성도 단서가 될 수 있다. 보통의 수소와 더 무거운 형태인 중수소는 태양계 영역마다 서로 다른 비율로 존재한다. 가져온 시료에서 두 동위원소의 비율을 측정하면 물질의 형성 위치를 밝히고, 물이 암석 행성에 어떻게 도달했는지 조사하는 데 도움이 될 수 있다.

과학자들은 두 가지 주요 기원 이론을 변형한 설명들도 검증하고 있다. 런던 임페리얼 칼리지의 행성 과학자 제이컵 케거리스는 소행성이 화성의 중력에 끌려 산산이 부서지고, 그 파편 원반에서 위성이 형성될 수 있는 상황을 시뮬레이션했다. SETI 연구소의 연구 과학자 마티야 추크는 위성이 부서졌다가 더 작은 천체로 다시 뭉치는 과정이 반복됐을 가능성을 살펴봤다.

광물의 연대와 우주 공간에 노출된 영향은 이러한 역사를 검증하는 데 도움이 될 수 있다. 연구진은 화성 주변 충돌의 연대표도 개선하기를 기대한다. 가져온 알갱이의 연대를 측정하면 현재 지구의 달을 기준으로 만든 연대 체계를 적용하는 것보다 더 확실한 기준을 세울 수 있다.

포보스에는 화성의 파편이 모였을 수도 있다

화성에 소행성이 충돌하면 암석과 먼지가 우주로 튀어나올 수 있다. 포보스는 가까운 궤도를 돌기 때문에 그 파편 일부가 표면에 쌓였을 가능성이 있다. 따라서 MMX가 위성 자체의 물질과 화성에서 온 알갱이를 함께 채취할 수도 있다.

임무 국제 과학팀을 이끄는 홋카이도대 행성 과학자 구라마토 기요시는 시료에서 화성 물질이 약 1%를 차지할 수 있다고 추정한다. 이 비율이라면 10그램의 시료에 화성에서 온 물질이 약 0.1그램, 즉 100밀리그램 들어 있는 셈이다. 실제 비율은 연구진이 가져온 알갱이를 확인하고 분석한 뒤에야 알 수 있다.

일부 파편은 화성이 더 따뜻하고 습했던 시기에 형성된 고대 암석에서 왔을 수 있다. 다른 파편은 이후 충돌로 지각 깊은 곳에서 파헤쳐 나왔을 가능성이 있다. 연구진은 일부 젊은 물질을 비교적 최근의 화성 충돌구와 연결할 수도 있다.

그런 알갱이를 식별하는 작업은 쉽지 않다. 알갱이는 매우 작을 수 있고, 원래 있던 위치도 불분명할 수 있으며, 대기가 없는 포보스에서 방사선에 노출돼 변했을 수 있다. 과학자들은 화학 성분과 광물 구조, 연대 측정을 통해 알갱이의 역사를 재구성해야 한다.

극도로 약한 중력 환경에 먼저 투입되는 로버

프랑스와 독일 우주 기관이 제공한 로버 이데픽스는 본 탐사선의 착륙에 앞서 포보스를 탐사할 예정이다. 무게는 약 25킬로그램이며, 약 100일 동안 작동할 수 있다.

MMX는 표면에서 100미터도 안 되는 높이에서 로버를 분리한다. 포보스 표면의 중력은 지구의 1000분의 1보다도 약해 로버는 천천히 내려간다. 다만 로봇이 튀어 오르거나 넘어질 수 있고, 주행 중 바퀴가 지면에 닿도록 세심하게 제어해야 해 착륙과 운행은 까다롭다.

이데픽스에는 광물과 표면 특성을 조사하는 카메라와 장비가 탑재된다. 관측 결과를 바탕으로 연구팀은 지면이 단단한지 느슨한지 판단하고, 위험 요소를 파악하며, 지질학적으로 유용한 정보를 얻을 수 있는 장소를 고를 수 있다.

본 탐사선도 13개 장비로 구성된 관측 장비군의 카메라와 라이다, 분광기를 이용해 자체 정찰을 수행한다. 라이다는 레이저 빛으로 거리를 측정해 경사면과 지형을 지도화한다. 분광기는 빛이나 다른 방사선을 분석해 물질의 종류를 알아낸다.

NASA가 제공한 장비에는 존스홉킨스대 응용물리연구소와 로런스리버모어국립연구소 연구진이 개발한 감마선·중성자 분광기 메가네(MEGANE)가 포함된다. 이 장비는 고에너지 입자가 표면에 부딪힐 때 발생하는 신호를 측정해 포보스에 어떤 화학 원소가 있는지 알아내는 데 도움을 준다.

두 가지 시료 채취 방식, 오차를 허용할 여지는 작다

MMX는 선정한 착륙 지점에 약 10미터 이내의 정확도로 접근해야 한다. 포보스는 지형이 고르지 않고 중력이 극도로 약하며, 중력 환경도 화성의 영향을 크게 받는다. 우주선은 위성 주변의 일반적인 안정 궤도에 진입하는 대신 포보스 가까이에서 움직이는 화성 궤도를 따라 비행한다. 이를 준위성 궤도라고 한다.

JAXA는 최대 두 차례 착륙을 계획해 서로 다른 지형에서 시료를 채취할 기회를 마련했다. 포보스에는 특정 필터로 볼 때 붉거나 푸르게 보이는 지역이 있으며, 이는 광물이나 충돌, 우주 공간 노출의 차이를 반영할 수 있다.

코어 채취 장치는 표면 아래 약 2센티미터까지 닿는다. NASA가 제공한 두 번째 채취 장치는 가압 질소 가스를 분사해 느슨한 알갱이를 용기로 쓸어 담는다. 두 방식을 함께 사용하면 얕은 지하 물질과 표면 먼지를 모두 확보할 수 있다.

우주선이 지상에 머무는 시간은 몇 시간으로 예상된다. 착륙 다리는 우주선이 넘어지거나 다시 튀어 우주로 날아가지 않도록 접촉 충격을 부드럽게 흡수해야 한다. JAXA에 따르면 신호가 우주선까지 갔다가 돌아오는 데 최대 44분이 걸릴 수 있는 통신 지연도 관리해야 한다.

따라서 지구의 관제팀은 하강 중에 즉각 대응할 수 없다. 우주선은 예정된 접근 경로를 따르고 급격한 상황 변화에 대처하도록 자체 항법과 제어 기능을 갖춰야 한다.

고대 생명체의 흔적을 어디까지 찾을 수 있나?

과학자들은 화성에서 온 알갱이가 생명체가 과거 존재했을 가능성이 있는 환경을 밝혀주기를 기대한다. 물과 관련된 광물과 보존된 유기화학 물질은 화성의 과거 환경을 재구성하는 데 도움이 될 수 있다.

임무 과학팀장인 구라마토는 더 큰 가능성을 이렇게 언급했다.

모래 시료에 생물 활동의 화학적 흔적이 들어 있을 가능성이 있다고 생각합니다.

충돌 중 생명체가 살아남을 수 있는지 연구하면 과학자들이 이런 가능성을 살펴보는 이유를 이해하는 데 도움이 된다. 존스홉킨스대에서 최근 박사학위를 받은 릴리 자오는 강인한 세균인 데이노코쿠스 라디오두란스를 소행성 충돌의 일부 조건을 모사한 충격에 노출했다. 일부 세균은 해저 가장 깊은 해구의 압력보다 최대 30배 높은 압력에서도 살아남았다.

이 실험은 험난한 여정 중 한 단계만 다룬다. 화성에서 포보스로 이동하는 생물학적 물질은 화성에서 튕겨 나오는 과정과 우주 공간을 지나는 과정, 착륙, 장기간의 방사선 노출도 견뎌야 한다. MMX 시료를 조사하는 연구자들은 이 과정의 흔적을 살피는 한편 지구에서 온 오염 물질을 철저히 통제해야 한다.

이바라키대 우주화학자이자 시료 분석팀장인 후지야 와타루는 알갱이를 사가미하라에 있는 JAXA 우주과학연구소의 보호 실험실에서 다룰 것으로 예상한다. 진공이나 반응성이 낮은 질소 가스를 사용해 시료를 보존할 계획이다.

화성 암석 귀환 경쟁과는 다른 경로

NASA의 퍼서비어런스 로버는 2021년부터 엄선한 화성 시료를 채취해 왔으며, 시료가 나온 암석과 주변 환경을 기록하고 있다. 수거 계획은 비용 상승과 기술적 실현 가능성에 대한 우려로 의회의 예산 지원을 받지 못했다. 여기에는 채집한 물질을 화성 표면에서 발사하는 문제가 포함된다.

MMX는 중력이 훨씬 약한 위성에서 시료를 채취하는 다른 경로를 택했다. 포보스에서 발견되는 화성 알갱이는 지질학적 이력이 덜 분명한 물질을 연구자들에게 제공할 수 있다. 포보스 시료는 위성의 형성과 태양계 내 물질 이동에 관한 고유한 질문에도 답할 수 있다.

중국의 톈원 3호 임무는 2028년 전후 발사 예정이며, 이르면 2031년에 화성에서 직접 시료를 가져올 수 있다. 두 임무의 귀환 일정이 맞물려 어느 쪽이 먼저 도착할지는 불확실하다.

발사 당시 추산된 MMX의 비용은 5억7,800만 달러로, 발사 전 공개된 추정치 3억5,000만 달러보다 늘었다. 5개 우주 기관이 참여해 일본의 우주선 운용과 시료 귀환 경험에 국제 협력국의 장비, 로버 기술, 과학 지원을 결합한다.

호주에서 캡슐을 회수한 뒤 JAXA는 물질을 분류하고 목록화한 다음 연구용으로 일부를 공유할 계획이다. NASA 존슨우주센터는 전체 시료의 15%를 받을 것으로 예상된다. MMX가 정확히 10그램을 가져온다면 그 몫은 1.5그램이다.

일본의 이전 소행성 탐사 임무는 극소량의 시료도 광범위한 실험실 연구에 활용될 수 있음을 보여줬다. 이제 MMX는 더 어려운 운용 단계를 완수해야 한다. 화성에 도달하고, 낯선 지형을 조사하고, 안전하게 착륙해 시료를 채취한 뒤 지구로 보내야 한다. 2011년 발사된 포보스-그룬트를 비롯해 포보스를 조사하려던 옛 소련과 러시아의 시도는 임무 목표를 달성하기 전에 실패했다.

핵심 내용

• MMX는 일본 시간 10월 20일 다네가시마에서 발사됐다. 미국 동부 시간으로는 10월 19일이다.
• JAXA는 2031년 포보스 물질을 최소 10그램 지구로 가져오는 것을 목표로 한다.
• 이데픽스 로버가 표면을 먼저 탐사한 뒤, 우주선은 코어 채취 장치와 가스 채취 장치를 이용해 최대 두 차례 착륙한다.
• 가져온 알갱이는 화성 위성의 형성과 태양계 내 물과 유기 물질의 이동 경로를 밝히는 데 도움이 될 수 있다.
• 과학자들은 시료 중 약 1%가 화성 파편일 수 있다고 추정한다.
• 귀환 캡슐은 호주에 착륙할 예정이며, 시료는 일본에서 연구한 뒤 국제적으로 공유된다.