행성들의 맨얼굴

행성 탐사선

지난 35년간 태양계 내의 다른 행성들에 대해 우리가 알게된 것들의 대부분은 다양한 관측 장비를 탑재하여 행성의 궤도에 올려 놓은 무인 또는 유인 우주선으로부터 얻은 것이며, 이들 우주선은 주로 미국과 구소련에 의해서 발사된 것들로 인류 탐험 사상 극적인 순간들을 수없이 연출하였다.

더욱이 최근 십수 년간 활발하게 이루어진 우주 탐사 계획은 수많은 인공 위성을 보다 값싼 비용으로 발사할 수 있게 되었는데, 이는 미국에 의해 성공적으로 수행되고 있는 우주 왕복선 (Space shuttle) 계획의 덕분이며 많은 화물의 적재와 발사체의 재사용으로 인한 경비 절감으로 보다 손쉽게 탐사선들을 우주로 보내게 되었다.

일반적으로 인공 위성을 통한 탐사 방법에는 5가지 방식으로 나뉜다. 근접 통과 위성은 인공 위성이 행성의 중력에 이끌려 휘어진 경로를 따라 빠르게 통과하며 관측하는 것이며, 탐사선이 행성의 대기 속으로 직접 들어가서 관측이 이루어지는 대기 조사선, 그리고 수명이 다할 때까지 궤도를 선회하며 자료를 보내오는 궤도 선회 우주선, 때로는 대기 조사선과 마찬가지지만 행성 표면에 착륙하여 조사하는 방식으로 2가지가 있는데, 우주선을 회수할 필요가 없을 시는 역추진 로케트를 비록 사용하지만 직접 충돌하는 표면 충돌 우주선과 유인 우주선의 경우 되돌아 오기 위하여 부드럽게 표면에 연착륙하는 착륙 우주선의 5가지이다.

아래에 설명한 탐사선중 보이저는 근접 통과 우주선에 해당되며, 마젤란은 대기 조사선, 허블 우주 망원경은 궤도 선회 우주선, 1975년 화성에 착륙한 바이킹과 1997년 화성에 에어백을 이용하여 착륙한 패스파인더는 모두 표면충돌 우주선, 그리고 1970년대의 세턴 V형 로켓에 탑재되어 달에 착륙한 아폴로 우주선의 이글호는 착륙 우주선이라 할 수 있다.

여기서는 최근 십수 년간 발사되어 우리들에게 많은 새로운 사실들을 알려주며 괄목할 성과를 거두고 있는 탐사선들을 요약하였다.

보이저(Voyager)

그림 30. 보이저 탐사선

보이저 계획이 원래 태양권 (heliosphere)을 탐사할 목적으로 미항공우주국 (NASA)에 의해 추진이 되었다. 그런데 태양계의 큰 외행성 4개 (목성, 토성, 천왕성, 및 해왕성)가 177년을 주기로 일렬로 늘어서게 되는데, 바로 보이저 발사 시기와 행성의 배열시기가 일치하게 되었다. 그 결과 태양계를 벗어 나면서 주변의 행성을 모두 통과할 수가 있어서 2대의 보이저로 하여금, 지구에서 먼 외행성을 최초로 가까이서 관찰할 수 있게 계획을 수정하였다.

7억8천만달러를 들인 보이저 1호와 2호는 NASA의 야심작이었다(그림 30).

그림 31. 보이저 1호와 2호의 탐사 궤도. 현재 보이저는 태양권의 경계와 그 바깥쪽을 탐사하기 위해 항해 중에 있으며, 파이어니어 10호 11호도 참가하고 있다.

1977년 여름 타이탄 3형 로켓에 탑재되어 8월 20일 2호가 먼저 발사되고, 9월 5일 1호가 발사되었다. 두대의 보이저 탐사선은 1979년 넉달 간격 (3월, 7월)으로 각각 목성을 통과하여, 1호는 1980년 11월 토성을 통과한 후 외계로 빠져 나갔으며, 2호는 1981년 8월 토성을 통과한 후 항해를 계속하여 1986 년 1월 천왕성을 통과하고 1989년 8월 해왕성을 근접하여 관찰하였다. 현재 보이저는 태양권 (heliosphere)과 그 바깥쪽을 살피기 위해 태양권의 경계인 헬리오포즈(충격파면)를 향하여 떠나갔다 (그림 31).

두 보이저는 각각 행성들의 인력에 끌려 근접 통과하면서 지구상에서는 도저히 관찰되지 않던 많은 극적인 장면과 새로운 사실들을 알려 주었다. 천왕성과 해왕성의 자기권을 발견하고, 22개의 새로운 위성 (목성 3개, 토성 3개, 천왕성 10개, 해왕성 6개)을 찾아냈다. 또 지구보다 큰 목성의 위성인 이오(Io)에서 화산이 폭발하는 것을 발견하였으며, 해왕성의 위성 트리톤(Triton)에서 온천과 같은 것이 분출되는 것을 보았다. 최근 화제가 되는 목성의 고리 또한 이때 발견되었다.

그림 32. 보이저에 탑재된 외계인에 보내는 지구의 소리가 담긴 디스크.

이들이 목성, 토성, 천왕성, 해왕서을 찍어 보낸 사진은 10만장에 이르고 있다. 사실 거대 행성에 대하여 우리들이 알고 있는 90%이상의 정보들이 보이저에 의해 밝혀진 것들로서 바로 이들의 임무는 참으로 크다 할 것이다.

한편 보이저에는 혹 있을지 모를 외계인에게 보내는 '지구의 소리' (Sounds of Earth)를 담은 금제 음반이 실려있다(그림 32). 그 디스크에는 59개국 언어로 된 인사말, 입맞춤과 어린 아이 우는 소리, 사랑을 나누는 젊은 여성의 뇌전도 기록, 우리의 과학과 문명을 알리는 161개의 부호화된 그림, 최고의 히트곡들이 들어 있다.

그림 33. 파이오니어에 실린 지구인이 외계에 보내는 메세지의 일부.

이러한 외계에 보내는 지구인의 메세지는 1972년 3월과 1973년 4월 각각 발사된 파이오니어 10호와 11호에도 실려있는데, 인간의 모습을 비롯하여 지구상의 많은 생물들에 관한 정보, 각 나라의 언어를 포함한 문화, 역사 및 태양계에 속한 지구의 위치 등을 담고 있다(그림 33).

플루토늄 원소를 동력원으로 하여 원자력 에너지로 움직이는 보이저는 2017년경까지 활동할 예정 이며 그 후는 우주의 미아로서 영원히 우주를 떠돌게 될 것이다. 어쩌면 먼 후일, 발달된 문명을 가진 외계인이 보이저를 발견하여 혹시 사라져 버렸을 지도 모를 지구의 기록을 전해 받을 지도 모를 일이다.

마젤란(Majellan)

그림 34. 금성을 탐사하는 마젤란. 1994년 10월 임무를 마치고 불타버렸다.

마젤란 (그림 34)은 우주 왕복선 아틀란티스(Atlantis)에 탑재되어 1989년 5월 4일 금성만을 탐사할 목적으로 발사되었다. 그 후 마젤란은 1990년 8월 10일 금성 궤도 진입에 성공하였으며 활발한 관측으로 금성에 관한 많은 새로운 사실들을 밝혀 주었다.

그 동안 금성은 두꺼운 대기층으로 인하여 지구에서의 관측에는 한계가 있었다. 그러나 마젤란이 임무를 마칠 때까지 4년간의 활약은 상세한 금성 표면에 관한 정보를 얻게 해 주었는데, NASA가 92년 6월에 공개한 전체 금성 표면의 사진 한장만으로도 우리를 감탄시키기에 충분하였다. 마젤란은 마지막 임무로서 금성 대기의 특성을 살피기 위해 1994년 10월 금성 대기권에 돌입하였다. 불행히도 대기권에 들어서 마지막 사진을 전송한 마젤란은 곧바로 불타버림으로써 성공적으로 탐사 임무를 마쳤다.

갈릴레오(Galileo)

그림 35. 목성에 접근하는 갈릴레오.

갈릴레오 (그림 35)는 1989년 10월 18일 우주 왕복선 첼린저 (Challenger)에 탑재되어 발사된 목성 탐사선으로 1995년 7월에 목성 궤도에 도착하였다. 오비터(orbitor)에서 분리된 프로브 (probe)1997년 12월 목성 대기권에 진입하여 관측을 시작하였다. 현재 목성과 목성 주변을 도는 여러 위성들에 대한 수많은 자료들을 지구로 전송해 오고 있다.

특히 갈릴레오는 가스 분석기를 탑재하고 있어 목성 대기의 분석이 가능해져 태양계를 생성한 근원 물질에 관한 귀중한 사실도 밝혀낼 것으로 기대되고 있다.

율리시즈(Ulysses)

그림 36. 태양극 궤도 탐사선 율리시즈.

우주 왕복선 디스커버리에 탑재되어 1990년 10월 6일 발사된 율리시즈 (그림 36)는 태양극 (Heliopose) 궤도 탐사선이다. 플라즈마 계측기를 탑재하여 태양풍이나 자기장 관측이 가능하며, 태양계의 생성과 우주 탄생의 베일을 벗기는 많은 실마리를 제공 할 것으로 기대하고 있다.

율리시즈는 1994년 최단거리로 태양극에 도착하여 현재 다양한 관측으로 태양 활동에 관한 많은 정보들을 우리에게 보내오고 있다. 1998년 6월 율리시즈는 흥미로운 관측을 하였는데, 태양에도 지구의 지진처럼 태양진(solarquake)이 있다는 증거를 사진으로 보내와 우리를 놀라게 하기도 하였다 (그림 37).

허블 우주 망원경(Hubble Space Telescope)

그림 38. 지구 정지궤도 위성인 허블 우주망원경.

허블 우주 망원경 (그림 38)은 우주 왕복선 디스커버리에 탑재되어 1990년 4월 24일 발사된 것으로 지구 저궤도 (고도 600km)를 선회하며 먼 우주를 관측하는 정지 궤도 우주선이다. 허블 우주 망원경은 대기의 영향을 전혀 받지 않기 때문에, 지상보다 해상도가 훨씬 뛰어나 (팔로마 천체 망원경의 약 10배) 상세한 관측 사진을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 지상까지 도달하지 못하거나 지상에서는 놓치기 쉬운 매우 약한 전파조차도 관측이 가능하다.

그림 39. 우주왕복선에 탑승한 우주인들이 허블 망원경을 수리하고 있다.

처음 발사되고 난 후, 망원경 거울의 구면수차가 생겨 올바른 상을 맺지 못하는 문제가 발생하였다. 그럼에도 불구하고 지상의 망원경보다 훨씬 고성능으로 상당한 위력을 발휘하였다. 지난 1992년 6월 나사에서 우주 태초에 생성된 빛을 관측하였다고 발표하였는데 이는 바로 허블 망원경이 이룬 극적인 개가이며, 보이저가 미처 관측하지 못했던 행성들에 관한 새로운 사실들도 허블 망원경이 관측하고 있다.

1993년 12월, 우주 왕복선 엔데버 (Endever)호에 탑승한 5명의 우주인들에 의해 구면 수차 보정을 위한 보조 렌즈 수리가 성공적으로 끝났다 (그림 39). 그후, 허블 망원경이 보내 오는 화상들은 놀랍도록 선명해졌으며 천문학상 주요한 여러 발견들이 이루어졌다. 1994년 9월 큰 화제를 불러 일으켰던 슈메이커-레비9 혜성의 목성 충돌 때에도 허블은 크게 활약하였다. 앞으로 약 15년간 관측 활동 을 수행할 것으로 기대하고 있다.

허블 망원경이 발사된지 8년이 지난 1998년 지금, 지구를 4만바퀴 이상 돌면서 어림잡아 1만여개의 천체를 관측하였다. 관측 데이터는 자그만치 3백만조 바이트가 넘는다. 이 초대형 인공위성에 의한 놀라운 관측은 우리의 사고 체계에 엄청난 지각변동을 일으키고 있다. 몇년 후면 천문학 교과서는 물론 과학 학습 대백과의 내용이 허블 망원경에 의해 대폭 바뀔지도 모른다.

카시니 (Cassini)

그림 40. 토성에 도착한 카시니 모습의 상상도.

파이오니어 11호 (1973년)와 보이저 1호 (1980년), 2호 (1981년)에 이어 NASA는 본격적인 토성 탐사를 계획하였다. 카시니 (그림 40)는 이전의 파이오니어와 보이저와가 근접 통과하면서 관찰한 것과는 달리 토성만을 탐사할 목적으로 1997년 10월 6일 타이탄 4호 로켓에 실려 발사되었다.타이탄 4호 로켓은 지금껏 NASA가 제작한 가장 크고 무거운 로켓이었다.

토륨을 에너지로 사용하는 카시니는 혹시 있을지 모르는 공중 폭발로 야기되는 핵누출의 위험성으로 반핵 운동가들의 반대 속에 무사히 발사되어 토성으로 향하고 있다. 카시니의 토성 탐사에는 유럽우주기구(European Space Agency)가 제공하는 호이겐스 관측기 (Huygens probe)가 실려있다. 호이겐스 관측기는 토성 최대의 위성인 타이탄을 조사할 예정이다.

카시기는 2004년 7월 1일 토성에 도착할 예정이며, 토성과 타이탄의 물리, 화학적 특성을 조사할 예정이며, 토성 고리에 대한 새로운 사실들을 밝혀줄 것이다.

패스파인더 (Pathfinder)

그림 41. (A) 에어백 방식으로 착륙한 패스파인더가 펼쳐지고 소저너가 화성탐사를 나서고 있다. (B) 소저너가 촬영한 화성 표면의 사진. 붉은색의 토양과 암석이 주변에 널려 있다.

10억 달러를 투입하여 고성능 관측 장비를 탑재하여 화성 생명 탐사에 나선 마스업저버 (Mars Observer) 계획이 1993년 12월 통신 두절로 실패한 후, NASA는 새로운 화성 탐사 계획을 세웠다. 패스파인더는 예산을 효율적으로 사용하기 위해 '더 빠르고, 더 좋게, 그리고 값싸게' (Faster, better, and cheaper)라는 목표하에 탄생한 첫번째 우주선으로 1997년 7월 4일 미국 독립기념일에 맞추어 바이킹 이후 21년만에 화성을 성공적으로 '재침공'하였다.

패스파인더 (그림 41A)의 개발은 3년밖에 걸리지 않은데다가 (바이킹은 개발에서 발사까지 8년) 비용도 2억8천만 달러에 불과하였다 (10억 달러가 들은 마스업저버와 30억달러가 들은 바이킹과 비교하면 그야말로 저비용이다). 비행기간도 바이킹이 11개월이 걸린 반면 패스파인더는 7개월밖에 걸리치 않았다. 이와같이 패스파인더가 짧은 연구 기간과 저렴한 비용, 단축된 비행 기간으로 개발될 수 있었던 것은 여러가지 아이디어 때문이었다. 일례로 패스파인더는 독특한 방식으로 착륙하였는데 역추진 로켓 대신에 에어백을 사용하여 착륙시도에서 착륙까지 4분밖에 걸리지 않았다.

패스파인더 탐사에는 6개의 바퀴가 달린 '소저너' (Sojouner) (그림 41A)라는 탐사차가 종횡무진 화성땅을 누비면서 탐사활동을 펼쳤다.1997년 10월 7일 착륙선의 신호가 끊어질 때까지 패스인더는 1만6천장의 사진과 토양 분석 자료, 대기 관측 자료를 지구로 전송하였다(그림 41B).

랜더 (Mars Polar Lander)

그림 42(A). 화성극지탐사선 '랜더'에는 딥스페이스 2기가 탑재돼 화성 생명체 존재를 밝히기 위해 땅 속 1m 아래에서 '물 발견' 임무를 수행한다.

1999년 1월 3일 델타 로켓에 실려 발사된 화성 극지착륙선 랜더가 장장 11월 개월에 걸친 우주 여행 순항길에 나섰다. 99년 12월 3일 화성 도착 예정으로 이 때 화성은 늦봄으로 하루종일 해가 지지 않는 계절이 된다.

랜더는 남극의 만년빙에 내려 앉아 흙과 암석을 조사하면서 '물 발견'의 임무를 수행한다(그림 42A). 랜더에는 쌍둥이 탐침 '딥 스페이스'(Deep Space) 2기가 실려 있으며, 화성 지하 1 m에서 물의 흔적을 찾는 조사 활동을 벌인다. 만약 얼음 알갱이를 발견한다면 외계 생명체의 존재 가능성도 높아지게 된다. 또한 이번 탐사에서 이 때까지 들은 적이 없는 화성의 미세 바람 소리도 녹음하게 된다.

한편, 랜더와 팀을 이뤄 활동할 화성 기후 위성 '오비터'(Mars Climate Orbitor)는 랜더에 한달 앞서 1998년 12월 11일 지구를 떠났으며, 99년 9월 23부터 화성 상공 궤도를 돌며, 화성의 계절 변화 등 기후를 관측하게 된다(그림 42B). 또한 랜더가 수집한 자료를 지구로 전송하는 중계탑 역할도 하게 된다.

<- 그림 42(B). 화성 상공 궤도를 돌며 기상관측을 수행하는 '오비터'의 모습

행성들의 이야기

보이저의 탐사나 허블 망원경, 그리고 여러 탐사 위성들에 의해 지구밖 행성들에 관해 많은 지식들이 축적되었다. 특히 지구에서 멀리 떨어진 거대 행성에 관해 보다 많은 새로운 사실들이 밝혀졌다. 내행성에서는 마젤란의 활약으로 금성이 완전히 베일을 벗기도 하였다. 그러나 아직 명왕성에 관해서는 여전히 의문인 것처럼 앞으로 수행될 탐사 계획에 의해 더 많은 사실들이 밝혀지고 새롭게 추가될 것이다.

여기에 나오는 자료들은 지구를 제외한 다른 8개의 행성에 대한 탐사 위성들에 의해 얻어진 자료를 요약하여 정리한 것이다. 아래 표 2는 각 행성들의 주요 수치 자료들을 정리한 것이다.

**표 2. 지구와 비교한 행성들의 주요 수치**
행성	거리 (AU*)	반지름 (지구=1)	질량 (지구=1)	자전주기 (지구=1)	위성수	Orbital Inclination	표면온도 (℃)	밀도 (g/cm³)
수성	0.39	0.38	0.05	58.8	0	7	-160~430	5.43
금성	0.72	0.95	0.89	244	0	3.394	470	5.25
지구	1.0	1.00	1.00	1.00	1	0.000	15	5.52
화성	1.5	0.53	0.11	1.029	2	1.850	-136~25	3.95
목성	5.2	11	318	0.411	16	1.308	-150	1.33
토성	9.5	9	95	0.428	18	2.488	-180	0.69
천왕성	19.2	4	15	0.748	15	0.774	-210	1.29
해왕성	30.1	4	17	0.802	8	1.774	-220	1.64
명왕성	39.5	0.18	0.002	0.267	1	17.15	-230	2.03

* AU (astronomical unit, 천문단위) : 태양에서 지구까지의 거리 (1 AU=1억5천만km)

수성(Mercury)

그림 43. 마리너 10호가 찍은 수성 표면. 수많은 크레이터와 링클리지.

수성은 태양계 행성중 명왕성 다음으로 두 번째로 작은 행성이다. 수성(水星)의 특징은 대기가 거의 없으며(소량의 Na와 He이 있음) 태양과의 거리가 가까워서 낮에는 납이 녹을 정도로 뜨거운 용광로(약 430℃)가 되고, 밤에는 온도가 -180℃나 되는 동토(凍土)인 행성으로 생물체가 살 수 없다. 표면이 온통 크레이터(그림 43)로 뒤덮여 마치 지구의 달과 매우 유사한 행성이라 할 수 있다. 낮과 밤이 88일만에 바뀌는 행성이다.

수성은 위성이 없어 질량을 정확히 측정할 수 없으나 1974년과 75년에 걸쳐 수성을 근접 통과한 마리너 10호가 수성으로부터 받은 중력으로 측정한 수성의 질량은 지구의 약 0.055배이며 수성의 밀도는 5.42g/cm³으로 이는 지구의 밀도와 거의 같은 값을 보여준다. 이로써 수성은 지구와 같이 철과 니켈로 이루어진 큰 중심핵과 규산염으로 이루어진 맨틀이 있음을 암시하고 있다.

그림 44. 링클 리지의 형성과정. 수성이 냉각되면서 수축작용에 의해 형성된다.

수성의 표면은 지구의 달로 착각할 정도로 흡사한 수많은 분화구를 가지고 있는 외에 수 백 km씩 뻗어 있는 절벽 (링클 리지, wringkle ridge)이 발달되어 있는데, 이는 수성이 냉각될때 수축되면서 표면에 주름이 잡힌 것으로 생각되어지며 이로써 수성은 중심 핵까지 완전히 식은 행성으로 간주되고 있다 (그림 44).

금성(Venus)

그림 45. 아름답게 빛나는 금성. 사랑의 여신 비너스라 이름 붙여졌다.

금성(金星)은 아침 해뜨기 전 동쪽 하늘에, 또는 저녁 해진 후 서쪽 하늘에, 보석과 같이 영롱하게 빛나는 별로서 하늘에서 태양과 달 다음으로 가장 밝은 천체이다. 그 색깔은 붉고 아름다워 서 서양에서는 '사랑의 여신'인 비너스 (Venus)라 불리운다 (그림 45).

지구에 가장 가까이 근접하는 금성은 크기와 질량, 그리고 태양과의 거리가 지구와 비슷해 지구와는 쌍둥이 행성으로 불리워지고 있다. 금성의 지름은 1만2천1백4 km로 지구의 지름(1만2천7백56 km)보다 5% 정도 작고, 질량은 지구 질량의 0.82배, 밀도는 5.2 g/cm³으로 지구의 밀도 5.5와 비슷하다. 또한 태양에서 두 번째로 가까운 금성은 태양에서 지구까지 거리의 0.72배이다.

이와같이 물리적인 수치로는 금성이 지구와 비슷하지만, 그 환경에 있어서는 전혀 다른 모습을 보여 준다. 금성은 짙은 이산화탄소 (CO₂)의 대기로 둘러 싸여 망원경으로는 그 표면이 관찰되지 않는다. 그래서 레이더 전파를 이용하거나 탐사선을 보내 금성 표면 상태를 조사하였다. 그 동안의 탐사 결과에 따르면 그 곳에는 산소도 물도 없어 보기와는 달리 생명체가 도저히 살수 없는 아주 열악한 환경을 가지고 있으며, 짙은 대기는 온실 효과를 유발하여 표면 온도가 470℃ 정도로 매우 높아 우리가 말하는 `지옥'과 다를 바가 없는 행성이다.

그림 46. 1992년 나사가 공개한 금성의 맨 모습. 그동안 짙은 이산화탄소의 대기로 베일에 가려졌던 금성 표면의 모습이 마젤란의 활약으로 밝혀졌다.

1989년에 미국은 마젤란을 우주 왕복선 아틀란티스호에 탑재하여 금성에 보냈으며, 고성능 레이더는 과거의 금성 탐사선인 베네라 15와 16호가 가지고 있던 가장 좋은 성능의 레이더보다 10배나 더 좋은 해상도로 금성 표면을 120m 크기의 지형 지물까지 식별하면서 관찰하였다. 그 결과 1992년 6월에는 지금까지 베일에 가려져 왔던 금성 표면의 맨모습이 전혀 새로운 영상으로 100% 완성되어 미 항공우주국 (NASA)에 의해 공개되었다(그림 46). 이 기념비적인 모습은 마젤란이 보내온 수천장의 사진과 그 이전 여러 탐사선이 찍은 사진을 조합하여 합성한 것이다.

금성 표면은 그 동안 알려진 바와 같이, 수 많은 운석 충돌 분화구가 분포하고 있는 동시에 화산 분화구가 관찰되며 (그림 47) 용암 유출 흔적을 강하게 시사하는 강처럼 생긴 침식 지형이 발달해 있으며－이는 마젤란에 의해 용암을 분출하는 활화산 사진 촬영에 성공함으로써 증명되었음 (그림 48)－규칙적으로 배열된 거북 등껍질 같은 줄무늬는 지구에서와 같이 판구조 운동이 일어나고 있음을 시사하고 있다.

특히 금성은 두터운 대기로 인하여 운석이 충돌시 독특한 형태의 크레이터를 형성한다 (그림 49). 크레이터 주위에 불가사리와 같은 모양이 생기거나 충돌시 방출된 물질들이 방사상으로 분포하지 못하고 계란 후라이처럼 퍼지기도 하는데, 이는 운석이 비스듬히 충돌하거나, 대기를 통과시 대기 층에 의해 일부 표면이 부서졌기 때문으로 생각된다.

그림 47. 락슈미 고원의 칼데라. 거대한 분화구로 주변에 용암이 흘러내린 주름 모양의 흔적이 관찰된다. 분화구 오른쪽에 충돌 크레이터도 보인다.

그림 48. 용암이 강처럼 흘려내려 만든 침식 지형. 마젤란이 촬영함으로써 금성에 화산활동이 있음을 증명하였다.

그림 49. 금성의 방사상으로 흩어진 특징적인 크레이터.

화성(Mars)

망원경으로 보면 붉게 보이는 화성(火星) (그림 50)은 태양계의 행성 중, 인간의 관심을 가장 끌었던 행성으로 고대 중국에서는 ‘불의 행성’으로 알려졌고, 바빌로니아에서는 ‘죽음과 질병’의 상징으로, 그리고 그리스와 로마인들에게는 ‘전쟁의 신’으로 숭앙되었다.

<- 그림 50. 붉게 보이는 화성. 불의 행성으로 불리웠다.

그림 51. 지구의 크기와 비교된 화성

화성의 지름은 6,788km이다. 이는 지구 지름의 0.35배이고 수성보다는 약 40%가 더 크다 (그림 51). 그러나 질량은 6.4x10²³kg으로 지구의 0.11배에 지나지 않고, 밀도는 3.9g/cm³으로 달의 밀도(3.3)보다는 조금 크고 지구의 밀도(5.5)보다는 훨씬 작다. 따라서 화성의 구조도 지구와는 달리 핵이 작고 지구 핵 물질보다 가벼운 철과 황화철의 혼합물인 것으로 추측된다.

그림 52. 화성 표면의 모습. 여러개의 대형 화산과 거대한 협곡 등이 발달하고 있다. 이는 화성에 과거 물이 존재했음을 시사한다.

인간의 화성 탐사는 1956년 마리너 4호로 시작되어 1975년 바이킹 1, 2호가 화성 표면에 연착륙 하였다. 바이킹 착륙선이 보내 온 사진에는 온통 붉게 물든 하늘과 운석 크레이터, 그리고 큰 협곡 등이 보인다 (그림 52). 또한 극관은 얼음으로 덮여 겨울에는 커지고 여름에는 줄어든다. 이러한 물의 존재는 생명체의 가능성을 시사하였으나, 바이킹은 유감스럽게도 생명체의 발견에는 실패하였다.

1992년에 미 항공 우주국은 마스업저버(Mars Observer)라는 화성 탐사선을 다시 발사함으로써 생명체의 존재 여부와 장래 인류의 우주 기지로서의 가능성을 탐색하기 위한 화성 탐사를 시작하였다. 그러나 1993년 12월 화성 도착 불과 며칠을 앞두고 업저버호가 실종됨으로써 17년만에 재개된 화성 탐사에 많은 기대를 걸었던 과학자들은 실망시켰다. 그렇지만 1997년 7월 4일 패스파인더의 인상적인 화성 착륙과 소저너의 활약으로 새로운 사실들이 속속 밝혀졌다.

화성 표면 사진을 관찰하면 화성에 지질 작용이 많이 있었던 흔적이 나타난다. 남반구는 비교적 평탄하고 운석공이 많아 초기의 표면 상태가 그대로 남아 있는 반면, 북반구는 젊은 지형으로 거대한 용암 분지와 화산이 많이 있다.

그림 53. 태양계 최대의 화산인 올림푸스산. 이 거대한 화산은 화성 내부의 에너지가 일시에 분출하여 형성된 것이다.

화성에는 태양계의 행성에서 지금까지 발견된 가장 큰 화산 인 올림푸스산 (그림 53)이 있는데 화산 하부의 직경이 600km이고 높이가 25km로서 한반도를 덮을 정도로 크다. 이와 같은 초대형의 화산은 화성 내부의 막대한 에너지가 일시에 폭발적으로 분출한 것으로 추측된다. 이는 지구나 금성처럼 판구조 운동에 의해 규칙적으로 내부 에너지를 소규모로 분출하는 것과는 달리 판구조 운동이 없음을 시사한다.

화성에는 물이 흘러서 패인 수로(水路, water channel)로 추측되는 많은 협곡들이 발견되는데, 가장 큰 것은 길이 5,000km, 폭 200km, 깊이 600km인 `발데스 마리네리스' 협곡이다 (그림 52). 현재는 물이 없으며, 있다 하더라도 낮은 기압으로 외계로 다 빠져나갔을 것이다. 다만 협곡 주변의 움푹 패인 수지상의 구조로 판단하건대 지하에 얼음이 존재할 것으로 생각하고 있다.

화성에는 대기가 있지만 밀도는 아주 낮고 기압은 지구의 2백분의 1정도밖에 되지 않는다. 이는 지구 고도 40km 정도의 높이에 해당되며 희박한 대기의 성분도 지구의 그것과는 달리 95%가 이산화탄소이며 나머지는 질소와 아르곤으로 금성의 대기 성분과 아주 비슷하다.

화성에는 포보스(Phobos)와 데이모스(Deimos)라는 두 개의 위성이 있으며 이 위성들은 마치 감자와 비슷하게 매끄 럽지 못한 타원체의 모습의 표면에는 검은 색의 수많은 운석 크레이터로 덮여 있다.

목성(Jupiter)

그림 54. 태양계 행성 중 가장 큰 목성. 동서 방향으로 발달한 줄무늬가 보인다.

태양계의 9개 행성중에서 가장 큰 것이 목성(木星)이다 (그림 54). 목성의 질량은 1.9x10²⁶kg(지구의 318배)으로 태양계의 다른 8개 행성을 합친 것보다 2.5배나 더 큰 질량을 가지고 있으며 크기에 있어서도 적도 지름이 14만2천8백 km(지구의 11.2배)로 목성의 부피를 지구로 채우려면 지구가 1,321개는 있어야 한다. 목성의 영어 이름인 쥬피터(Jupiter)도 올림푸스 신들 중, 왕의 이름에서 따온 것으로 이름 그대로 목성은 `행성 중의 왕'인 셈이다.

목성은 태양계 형성 당시의 상태를 비교적 잘 보존하고 있는 행성으로 알려져 있고, 격렬한 대기 활동과 강력한 자기장이 존재하기 때문에 학자들이 목성에 갖는 관심은 대단하였다. 그렇기 때문에 목성 탐사가 일찌감치 이루어졌었고 현재에도 진행중이다. 파이어니어(Pioneer) 10호와 11호가 각각 1973년과 1974년 말에 탐사했으며, 1979년 3월과 7월에는 보이저 1호와 2호가 각각 목성에 접근하여 탐사 작업을 벌였다. 이 우주선들은 새로운 위성을 비롯한 많은 새로운 사실들을 발견하고 아름다운 근접 사진들을 보내왔다.

1989년 10월 18일에는 목성 탐사선 갈릴레오(Galileo)가 케네디 우주센터를 떠났다. 먼저 금성으로 비행한 후에 금성 중력을 이용해 목성으로 항진을 계속해서 발사 6년 후인 1995년 7월 목성 궤도에 도착하였다. 1997년 12월 오비터로 부터 분리된 프로브가 목성의 대기를 분석하고 있어, 조만간 갈릴레이 위성들의 지질학적, 물리학적 특성을 조사하며, 목성 자기권의 성격과 구조를 밝혀줄 것으로 기대된다.

목성의 밀도는 1.33 g/cm³으로 물의 밀도보다 조금 크고 태양의 밀도와 비슷하다. 이것으로부터 우리는 목성의 주성분이 가벼운 수소와 헬륨임을 알 수 있다. 목성 대기 상층부의 온도는 -143℃로 낮다.

그림 55. 목성의 대적점. 목성의 고속 작용에 의해 대기의 교란 현상이다.

목성은 질량이 크므로 목성을 탈출하기 위한 이탈 속도는 초속 61km이다(지구 이탈 속도: 11.2km). 수소 분자는 초속 1km로 움직이기 때문에 수소를 비롯한 어떤 원자나 분자도 목성을 빠져 나가지 못한다. 그래서 지금 우리가 보는 목성은 45억년 전 생성될 때의 대기와 질량을 그대로 간직하고 있는 것이다.

목성은 거대한 행성임에도 불구하고 자전 속도는 상당히 빠르며, 적도 대기 상층부는 시속 4만5 천 km의 속도로 돌고 있는 셈이다. 목성 사진에서 관찰되는 밝고 어두운 평행 줄무늬와 대적점 (또는 대홍점, great red spot)이라 불리는 것은 타원의 모습을 한 태풍과 같은 것으로 바로 고속 자전에 의한 대기의 교란 현상인 것이다(그림 55).

대적점은 수백년씩 모습을 유지하는데, 큰 것은 길이가 약 4만 km, 폭이 1만4천 km로 지구를 서너개 삼킬 수 있는 것도 있다. 목성 대기가 여러 색깔(적색, 청색, 황색)을 띠는 것은 그곳에 포함된 물질이 다르기 때문인데 메탄, 암모니아, 수소, 헬륨, 물, 아세틸렌, 에탄, 일산화탄소 등이 발견되었다.

그림 56. 이오의 화산 폭발 장면. 보이저가 우연히 포착하였다.

목성은 5번째 이오 (Io)에서 8번째 칼리스토 (Callisto)까지 4개의 갈릴레이 위성을 포함하여 모두 16개의 위성을 거느리고 있다. 보이저가 보내온 사진에 의하면 이오에서 화산이 폭발하는 현상을 관찰할 수 있는데(그림 56), 이것이 지구 이외의 천체에서 처음으로 발견된 활화산이다. 그러나 지구 화산이 마그마를 뿜는 것과는 달리 이오 화산은 유황 가스를 뿜는 것으로 알려져 있다. 목성에도 토성과 같은 가는 고리가 있음이 보이저에 의해 밝혀졌다. 이 고리는 두께가 30km로 얇고 거의 투명한데 아주 작은 입자들(10㎛)로 이루어져 있다

토성(Saturn)

그림 57. 초승달 모양의 토성과 고리. 이 사진은 보이저가 찍은 수많은 사진 중의 최대의 걸작으로 꼽힌다. 기하학적으로 이룬 명암의 절묘한 대비가 토성을 더욱 아름답고 신비롭게 해 준다.

태양에서 6번째로 먼 행성인 토성(土星)은 본체가 마치 색동옷을 입은 듯 여러 색깔의 띠로 둘러져 있음은 물론, 주변에는 아름다운 고리가 감겨 있어, 보는 이로 하여금 그 신비스러움에 감탄을 금할 수 없게 한다 (그림 57). 토성은 일찌기 수마리아 사람들에 의해 산출(産出)이란 뜻을 가진 sagush라 불리다가 로마 시대에 와서 '농사의 신'인 새터누스 (Saturnus)의 이름을 따서 새턴 (Saturn)으로 불리우게 되었다.

토성에 대한 본격적인 관찰은 1610년 갈릴레이 (Galilei)에 의해 그가 만든 8배 배율을 가진 망원경으로 관측하여 토성에 귀 또는 손잡이가 있는 것을 알아냈다. 그 후 1659년 호이겐스 (Huygens)에 의해 고리로 확인되었으며, 가장 큰 위성인 타이탄(Titan)이 발견되었다. 17세기에 카시니 (Cassini)에 의해 이아페투스 (Iapetus), 레아 (Rhea), 디오네 (Dione), 테티스 (Tethys) 등 4개의 위성이 발견되었고, 그의 이름이 붙은 고리 사이의 간극이 발견되었다.

우주 개발이 본격적으로 시작된 후에는 파이어니어 11호가 1979년 9월에, 보이저 1, 2호가 각각 80년 11월과 81년 8월에 접근해 탐사작업을 벌였다.

토성의 질량은 5.69x10²⁶kg으로 지구의 95.1배이고, 적도 지름은 12만 km로 지구의 9.41배이다. 토성은 크기와 질량에서 목성 다음으로 큰 행성이지만 밀도는 0.7 g/cm³으로 태양을 포함해 태양계 모든 천체 중 가장 가볍다. 이는 물의 밀도보다도 작아 만약 물에 넣는다면 둥둥 뜰 정도이다. 토성의 1년은 29.41년이고 자전축은 공전축에 26.73 기울어져 있는데 이 값은 지구 자천축의 기울기 23.5 와 비슷하다.

그림 58. 허블망원경이 찍은 토성의 대백점.

토성을 망원경으로 보면 띠 두른 모습이 목성과 비슷한데, 대기의 화학 성분도 두 행성이 거의 비슷하다. 다만 토성 대기 상층부 온도가 목성보다 훨씬 낮은 -178도이므로 대기 중의 암모니아는 결빙해 대부분 눈의 형태로 강하했고, 더 복잡한 분자의 형성도 이루어졌을 것으로 생각된다.

토성 대기의 유동 속도는 목성에서보다 훨씬 크다. 허블 망원경이 찍은 사진에 의하면 지름 수천 km의 대백점이 나타나는데 (그림 58), 이 백점의 성질에 대하여는 자세히 알려지지 않았으나, 목성에서처럼 대기의 빠른 회전에 따른 태풍과 같은 교란 현상으로 생각된다.

그림 59. 토성의 고리.A와 B 사이에 카시니 간극이 있다.

토성에서 가장 관심을 끄는 것은 고리(ring)이다. 이 고리는 토성 궤도면에 27도 기울어져 있으며, 실제 두께는 아주 얇아 수백 km에 불과하다. 그러나 고리의 폭은 상당히 넓어서 지구에서 관찰 되는 3개의 고리만으로도 토성의 중심에서 7만1천 km에서 14만 km 사이에 놓여 있다. 고리를 이루는 물질은 수 mm에서 수 m인 얼음 덩어리나 암석이다.

지구에서 보이는 뚜렷한 고리는 바깥쪽에서부터 A와 B, 그리고 C고리이다. C고리 안쪽에 있는 희미한 고리가 D고리인데 (그림 59), 보이저는 이 고리들의 상세한 사진을 보내왔다. 그림에서 처럼 A와 B고리 사이에 어둡게 보이는 영역이 있는데 이것을 `카시니 간극'(Cassini division)이라 한다. 여기에도 적어도 20여개의 작은 고리가 존재한다.

토성에서 확인된 위성수는 20개다. 토성 위성중 가장 큰 것은 타이탄(Titan)인데 보이저의 관측으로 대부분(99%)이 지구 대기와 같은 질소이며 메탄은 1%도 되지 않는 것으로 알려져 있다.

천왕성(Uranus)

그림 60. 천왕성을 탐사중인 보이저. 천왕성은 유일하게 자전축이 누워있는 특이한 행성이다.

천왕성(天王星)은 1781년 영국의 위대한 천문학자인 윌리엄 허셀이 발견하기까지 워낙 태양에서 멀리 떨어져 있고, 희미한 관계로 1690년 이후 적어도 20번이나 관찰되었지만 행성으로 알려지지 못하였다. 천왕성은 우라누스 (Uranus), 즉 타이탄의 아버지이며 주피터의 할아버지의 이름을 따서 명명되었다.

그 동안 천왕성은 크기가 아주 작고 희미하여 망원경으로도 관찰이 어려웠으나, 보이저 2호가 1985년 11월부터 탐사를 시작하여 1986년 1월 24일에는 81만 km 상공까지 접근하여 수천 장의 사진 촬영에 성공함으로써 많은 새로운 사실들을 알아냈다 (그림 60).

천왕성의 적도 지름은 5만1천2백 km로서 토성 지름의 반보다 조금 작고 목성 지름의 ⅓ 크기에 해당되지만 지구보다는 4.01배나 크다. 천왕성의 질량은 8.67x10²⁵kg(지구의 14.5배)이며, 밀도는 1.2g/cm³으로 목성의 밀도와 유사하다. 천왕성의 1년은 84.01년이고 자전 주기는 17.24시간이다.

그림 61. 천왕성은 자전축이 누워있어 공전할 때 태양을 바라보는 면이 변한다.

천왕성이 우리의 관심을 끄는 것은 특이한 자전인데 자전축이 공전축에 정확히 97 55' 기울어져 있기 때문에, 다른 행성과는 달리 거의 누워서 자전하는 셈이다. 천왕성의 공전주기가 84년이니까 남극이 태양을 향한 시점에서 42년이 지나면 반대로 북극이 태양을 향하게 된다 (그림 61).

천왕성은 무엇보다도 보이저의 성과로 많은 사실이 알려지게 되었는데, 보이저는 10개의 작은 위성을 발견하여 위성수를 15개로 늘렸고, 그 동안의 9개의 고리에 이어 10번째의 고리를 발견하였다. 천왕성이 녹색을 띠는 것은 대기 중의 메탄 (CH₄) 때문이며, 북극 근처의 상층 대기가 적갈색으로 다소 어둡게 보이는 것은 메탄과 아세틸렌 등의 탄화 수소 분자가 집중돼 생기는 안개 때문인 것으로 생각되고 있다.

해왕성(Neptune)

그림 62. 푸르게 빛나는 해왕성. 흰구름처럼 보이는 부분은 메탄과 암모니아 등이 얼은 것이며, 왼쪽 검게 보이는 것이 대흑점이다.

녹색과 푸른색의 진주라고 묘사되는 해왕성(海王星)은 천왕성과 크기와 질량면에서 비슷해 쌍둥이 행성으로 알려져 있으나, 천왕성보다 푸른색이 더 영롱하다 (그림 62). 해왕성은 그리스 신화에 나오는 새턴의 아들이고 먼 해양의 지배자인 넵튠 (Neptune)의 이름을 따서 명명되었다. 천왕성이 우연히 발견된 것과는 달리 해왕성은 같은 시기에 영국의 수학자 아담스 (1843년)와 프랑스의 과학자 르베리어 (1845년)에 의해 행성들의 위치 계산에 통해 존재가 예견되어 오다 1846년 독일의 갈레가 르베리어의 요청에 의해 탐사 도중 발견하였다.

해왕성은 그동안 멀리 떨어져 있고 8등급으로 흐리기 때문에 상세한 모습이 가려져 왔다가 보이저 2호가 1989년 8월 25일 12년간의 긴 항해 끝에 해왕성의 북극 상공 4천6백56 km 까지 접근하면서 비밀의 장막이 걷히게 되었다.

그림 63. 보이저가 찍은 행왕성 고리. 뚜렷한 두가닥의 고리가 보인다.

당시 해왕성의 신비한 모습을 처음 접한 NASA의 관계자들은 "두개의 밝은 고리를 두른 이 행성의 수줍은 자태는 마치 예술가가 만들어낸 아름다운 작품을 보는 듯하다"고 탄성을 올린 바 있다 (그림 63). 보이저는 수천장의 해왕성 사진을 전송하고 2개의 위성을 더 발견해 위성의 수를 여덟개로 늘린 후 태양계 저편으로 영원히 사라져 갔다.

해왕성은 적도 지름이 4만9천5백28 km(지구 지름의 3.87배)로 태양계 행성중 세 번째 큰 행성이 며, 질량은 1.03x10²³kg으로 지구의 17.148배이다. 밀도는 1.66g/cm³인데 목성형 행성 중에서는 가장 큰 값이다. 궤도 주기인 해왕성의 1년은 164.79년이고 보이저에 의해 밝혀진 정확한 자전 주기는 16시간 6분 36초이다.

그림 64. 해왕성 최대의 위성 트리톤. 거대한 남극관과 북쪽은 멜론 껍질과 같은 줄무늬가 있다.

해왕성이 청록색으로 보이는 것은 대기중의 메탄 때문이며, 상층 대기는 희미한 구름의 띠를 나타내고 있다. 대기의 온도가 -217℃로 낮기 때문에 기체 상태의 메탄, 수소, 헬륨에 물과 암모니아의 얼음이 합쳐 흰 구름 형태를 보여 주기도 한다. 해왕성에는 적도 부근에 대흑점 (또는 대암점, great dark spot)이 직경 1만 km로 거의 지구 크기 만하게 관찰되는데 (그림 62), 대기 교란에 의한 태풍과 같은 것으로 목성의 대적점과 비슷한 성인을 갖지만 왜 주변보다 어둡게 보이는지는 아직 알려지지 않았다.

해왕성에서는 4개의 고리가 발견됐는데, 그중 2개는 아주 뚜렷하다. 해왕성의 위성은 8개인데 가장 큰 것은 트리톤 (Triton)이다. 트리톤은 대부분의 위성과는 달리 자전축과 공전 방향이 반대인 역행 위성이며, 표면 지형이 상당히 복잡하다. 거대한 남극관을 가지고 있으며 북쪽은 멜론 껍질과 같은 불규칙한 줄무늬를 가지고 있다 (그림 64). 극관 주위에서는 질소 가스의 분연을 뿜는 화산이 많이 존재하는 것이 보이저의 사진에서 밝혀졌다.

명왕성(Pluto)

그림 65. 지구의 크기와 비교한 명왕성과 위성인 카론. 지구의 달보다도 작은 행성이다.

그림 66. 타원 궤도의 명왕성. 일부 구간에서는 해왕성 안쪽을 돌아 8번째 행성이 되기도 한다.

태양계에서 가장 먼 행성인 명왕성(冥王星)은 1916년 미국의 천문학자인 로웰에 의해 예언되어 오다 톰보우에 의해 1930년 발견되었으며 '지하 세계의 신' 이름을 따서 플루토 (Pluto)라 명명됐다.

명왕성은 워낙 흐리게 나타나고 또 아직 어떤 우주선도 이 멀고 작은 행성을 근접 탐사한 일이 없으므로 우리는 이 행성에 관해서 아는 것이 많지 않다. 그러나 그 동안 알려진 사실로 볼 때, 명왕성은 궤도와 물리적 성질에 있어 대부분의 태양계 행성들이 갖고 있는 공통성을 벗어나 있는 데, 일부 학자들은 명왕성이 태초에 해왕성의 위성이었다가 떨어져 나온 것이거나, 혜성이었다가 궤도가 변한 것이라고 주장하고 있다.

명왕성은 질량이 지구의 0.26%인 1.5x10²²kg이며, 달 질량의 ¼에도 미치지 못한다. 크기는 적외선 관측으로 구해졌다. 지름 값이 2천2백~2천3백70 km 범위인 것으로 알려졌는데, 지구의 달보다도 작은 행성이다 (그림 65). 밀도는 태양계 천체중 가장 낮은 0.5~0.8g/cm³이다.

공전 주기가 9만4백4일인 명왕성의 공전 궤도는 다른 행성들의 궤도가 동일 평면상에 놓이는 것과는 달리 상당히 찌그러진 타원이고 황도면과의 기울기가 상당히 크다. 타원의 궤도이기 때문에 태양과 가장 가까울 때는 거리가 29.7 AU이고 가장 멀 때는 49.3 AU로 명왕성은 일부 구간에서 해왕성 안쪽으로 들어와 임시로 여덟번째 행성 노릇을 하기도 한다 (그림 66).

명왕성의 유일한 위성인 카론 (Charon)은 직경이 약 1천3백 km로서 명왕성의 반을 조금 넘고, 질량은 명왕성의 10분의 1에 지나지 않는다. 명왕성의 모습이 더 자세히 드러나려면 허블 우주 망원경의 본격적인 활용과 우주선에 의한 직접 탐사가 이루어져야 가능할 것이다.