명왕성 탐사 계획 — 우리는 다시 명왕성에 갈 수 있을까

1.한 번의 스침으로 남은 질문들

뉴호라이즌스는 명왕성을 스쳐 지나며 한쪽 얼굴만 또렷이 담았다. 지하 바다처럼 시간을 두고 지켜봐야 풀리는 질문들은, 한 번의 플라이바이로는 답할 수 없는 채로 남았다.

플라이바이의 한계는 단순하다. 빠르게 지나치는 만큼, 잘 볼 수 있는 것은 지나는 순간 마주 보는 쪽뿐이라는 점이다. 뉴호라이즌스도 명왕성의 한쪽 반구는 아주 높은 해상도로 담았지만, 반대쪽은 훨씬 흐릿한 사진으로 남겨 두어야 했다. 명왕성은 자전이 느려, 스쳐 지나는 며칠 사이에 반대편을 돌려 보여 줄 만큼 몸을 굴리지도 못했다. 인류가 처음으로 얻은 명왕성의 얼굴은, 그렇게 반쪽만 선명한 초상이었다.

더 아쉬운 것은 시간이 필요한 질문들이었다. 뉴호라이즌스가 보내온 사진 속 명왕성은 뜻밖에도 젊고 매끈한 얼음 평원을 품고 있었는데, 이는 그 표면이 지금도 어떤 힘으로 새로 다져지고 있음을 뜻했다. 연구팀은 그 힘의 후보로 표면 아래 숨은 바다를 지목했지만, 이는 스치듯 본 겉모습에서 끌어낸 해석일 뿐 직접 확인한 사실은 아니다. 바다가 있는지, 대기가 계절에 따라 얼었다 녹기를 어떻게 되풀이하는지 같은 물음은, 한 장의 사진이 아니라 여러 해에 걸친 꾸준한 관측을 요구한다. 잠깐 스쳐 본 손님에게는 물어볼 수 없는, 오래 곁에 머물러야만 알 수 있는 것들이다.

2.명왕성에 '멈추는' 일이 왜 그토록 어려운가

궤도선이 어려운 진짜 이유는 속도다. 명왕성에 붙잡히려면 초속 14킬로미터에 가깝던 속도를 초속 1킬로미터 아래로 줄여야 하는데, 화학 로켓으로는 그만한 연료를 실을 수 없다.

왜 뉴호라이즌스는 멈춰 서서 궤도를 돌지 않았을까. 답은 처음의 그 맹렬한 속도에 있다. 명왕성처럼 먼 곳에 그나마 빨리 닿으려면 세게 던져야 하고, 뉴호라이즌스는 실제로 지구를 떠난 인공 물체 가운데 가장 빠른 속도로 발사됐다. 그렇게 얻은 속도로 명왕성에 다가갈 때, 명왕성에 대한 상대 속도는 초속 14킬로미터 가까이 됐다. 그런데 이 큰 속도가 되레 발목을 잡는다. 몸집이 작은 명왕성 곁을 도는 궤도 속도는 초속 1킬로미터도 되지 않기 때문이다.

즉 궤도에 붙잡히려면 다가가는 동안 그 큰 속도 차이를 거의 다 지워야 한다. 그런데 로켓으로 속도를 줄이는 데도 연료가 든다. 속도를 많이 줄일수록 연료가 기하급수로 불어나, 결국 그 연료를 밀 또 다른 연료가 필요해지는 악순환에 빠진다. 뉴호라이즌스가 명왕성에서 멈추려 했다면, 출발할 때 쓴 것에 맞먹는 연료를 그 먼 곳까지 고스란히 짊어지고 가야 했을 것이다. 그것을 실을 로켓은 없었다. 그래서 새 궤도선 구상들은 방식을 아예 바꾼다. 처음부터 느리게 접근하도록 설계한다. 화학 로켓 대신 전기의 힘으로 이온을 조금씩 내뿜어, 여러 해에 걸쳐 속도를 서서히 다스리는 전기 추진을 쓴다. 힘은 약하지만 오래 밀 수 있어, 먼 길에서는 이 느린 밀기가 오히려 유리하다.

3.카론이 내주는 공짜 티켓 — '골드 스탠더드' 구상

앨런 스턴 팀은 2020년, 큰 위성 카론의 중력을 새총처럼 수십 번 빌리면 연료를 거의 쓰지 않고도 명왕성을 여러 해 돌 수 있다는 궤도선 설계를 발표했다.

전기 추진으로 명왕성 궤도에 겨우 붙잡혔다 해도, 그다음이 또 문제다. 한 자리에 붙박인 궤도만 돌아서는 늘 같은 쪽만 보게 되기 때문이다. 극지방도 봐야 하고 적도도 봐야 한다. 여기에 명왕성의 작은 위성들까지 살피려면 볼 곳은 더 늘어나는데, 그때마다 궤도를 바꾸려면 또 연료가 든다. 그런데 명왕성에는 다른 행성계에 없는 든든한 조력자가 있다. 지름이 명왕성의 절반에 이르는 큰 위성, 카론이다. 사우스웨스트연구소의 앨런 스턴 연구팀은 이 카론을 공짜 연료처럼 쓰는 길을 찾아, 2020년 이를 학술지에 정리해 내놓았다. 이들은 이 구상을 '골드 스탠더드', 곧 이상적인 기준이라 불렀다.

핵심은 카론 곁을 스칠 때마다 그 중력으로 궤도를 조금씩 틀어 나가는 것이다. 팀의 궤도 설계자는 궤도선이 카론의 중력 도움을 수십 번 잇따라 받도록 항로를 짰다. 이렇게 하면 연료를 거의 쓰지 않고도 궤도를 몇 번이고 새로 그릴 수 있다. 명왕성의 극과 적도를 두루 살피고, 네 개의 작은 위성마다 여러 차례 가까이 다가갈 수 있다고 본다. 더 놀라운 것은 마무리다. 명왕성에서 할 일을 마친 궤도선은 마지막으로 카론의 중력을 한 번 더 빌려 명왕성계를 빠져나가, 처음에 궤도로 들어올 때 쓴 그 전기 추진으로 이번엔 카이퍼벨트의 다른 얼음 천체들을 찾아 나설 수 있다는 것이다. 스턴 팀은 이 모든 일이 먼 미래의 기술을 기다릴 것도 없이, 지금 당장 만들 수 있는 전기 추진과 로켓만으로 가능하다고 주장했다. 다만 이것이 실제로 떠난 임무는 아직 아니며, 종이 위에서 정교하게 검증된 설계에 머물러 있다는 점은 분명히 해 둘 필요가 있다.

4.페르세포네 — 지하 바다를 확인하러

NASA가 지원한 개념 연구 페르세포네는 2031년 발사돼 27.6년을 날아 2058년 명왕성에 닿는 설계다. 가장 큰 목표는 명왕성에 정말 지하 바다가 있는지 확인하는 것이다.

그렇게 어렵게 도착해서는, 정작 무엇을 보려는 걸까? 골드 스탠더드가 '어떻게 갈 것인가'를 파고든 설계라면, 그 무렵 나온 또 다른 구상은 '가서 무엇을 볼 것인가'에 무게를 실었다. 저승의 여왕에서 이름을 딴 '페르세포네' 계획이다. 미국항공우주국의 지원을 받은 이 개념 연구는 2021년 학술지에 발표됐는데, 뉴호라이즌스가 남긴 여러 질문 가운데 가장 묵직한 하나를 정면으로 겨눈다. 명왕성 표면 아래에 정말 바다가 있는가 하는 물음이다. 이 계획은 이를 확인하기 위해 열한 개의 관측 장비를 싣고, 명왕성과 카론의 속을 들여다볼 도구부터 대기와 표면, 주변 우주 환경을 재는 장비까지 두루 갖추도록 설계됐다.

설계안이 그리는 여정은 길고 아득하다. 페르세포네는 강력한 로켓으로 2031년에 발사된다. 도중에 목성의 중력 도움을 받고, 원자력을 이용한 전기 추진으로 약 27.6년을 날아 2058년 명왕성에 닿는 것으로 돼 있다. 가는 길에 카이퍼벨트 천체 하나를 스쳐 지나고, 명왕성에 도착해서는 3.1년 동안 그 곁을 돌며 명왕성계를 살핀다. 이 모든 것을 담은 임무의 예상 비용은 30억 달러 안팎으로, 한 나라의 우주 예산에서도 손꼽히는 대형 사업에 해당한다. 다만 여기서도 조심스러운 태도가 필요하다. 2031년 발사나 2058년 도착 같은 날짜는 확정된 일정이 아니라, 어디까지나 "만약 이대로 추진한다면"을 전제로 계산해 본 구상 속의 숫자다. 실제로는 아직 이 계획을 떠나보내겠다는 결정조차 내려지지 않았다.

지금 떠나도 도착은 한 세대 뒤. 명왕성으로 가는 길은 늘 시간과의 약속이다.

5.그런데 왜 아직 못 가나 — 순위와 시간의 문제

기술이 없어서가 아니다. 2023년 미국 행성과학 10개년 계획은 다음 대형 탐사의 1순위로 천왕성, 2순위로 엔셀라두스를 꼽았고, 명왕성 궤도선은 최우선 목록에 들지 못했다.

명왕성 탐사 계획이 이렇게 여럿 나와 있는데, 왜 아직 아무도 떠나지 못했을까. 발목을 잡는 것은 기술이라기보다 순위와 비용, 그리고 시간이다. 미국의 행성 탐사는 십 년에 한 번, 과학자들이 머리를 맞대고 다음 십 년 동안 무엇을 먼저 할지 우선순위를 정하는 '10개년 계획'을 따른다. 2023년에 나온 가장 최근의 계획은 다음 대형 탐사선의 1순위로 천왕성을 도는 탐사선을, 2순위로 토성의 위성 엔셀라두스를 겨눈 탐사선을 꼽았다. 명왕성 궤도선은 여러 후보로 검토되긴 했지만, 이 최우선 목록에는 오르지 못했다. 한정된 예산으로 모든 곳에 갈 수는 없으니, 순위에서 밀린다는 것은 곧 당분간 순서가 오지 않는다는 뜻이다.

비용과 시간의 벽도 만만찮다. 궤도선 구상의 예상 비용은 30억 달러 안팎으로, 웬만한 탐사 예산을 통째로 삼키는 규모다. 게다가 이런 원자력 전지에 쓰이는 특수한 플루토늄은 세상에 아주 조금씩만 만들어져, 어느 탐사선에 그 귀한 연료를 나눠 줄지도 신중히 저울질해야 한다. 무엇보다 명왕성은 너무 멀다. 앞서 보았듯 지금 떠나도 도착까지 수십 년이 걸리니, 오늘 계획을 시작한 사람과 그 첫 사진을 받아 볼 사람이 서로 다른 세대일 수도 있다. 그래서 이 계획들은 지금 당장의 결단이라기보다, 다음 세대에게 건네는 긴 제안에 가깝다. 아직은 종이 위의 구상이지만, 언젠가 순위가 돌아오고 예산이 모이면 이 설계도는 그대로 살아 움직일 준비가 돼 있다.

6.오래 걸려도, 다시 그곳으로

정리하면 이렇다. 우리가 명왕성을 본 것은 한 번의 짧은 스침이었고, 그 만남은 얼굴 반쪽과 답 없는 질문들을 함께 남겼다. 그 질문에 답하려면 이번엔 스쳐 지나는 대신 머물러 도는 탐사선이 필요한데, 그러자면 다가가던 큰 속도를 거의 다 버려야 한다는 어려운 숙제가 따른다. 여러 해 서서히 미는 전기 추진과, 큰 위성 카론의 중력을 새총처럼 빌리는 지혜가 그 숙제의 답으로 제시됐고, 골드 스탠더드와 페르세포네라는 구상이 그것을 정교한 설계로 그려 냈다. 다만 순위와 예산과 세월이라는 현실의 벽 앞에서, 이 명왕성 탐사 계획들은 아직 떠날 날을 받지 못한 채 기다리고 있다.

가만 생각하면, 멀리 있는 것에 다시 가닿으려는 이 마음은 우리에게도 낯설지 않다. 우리도 오래전 잠깐 스친 인연을, 제대로 알지 못한 채 헤어진 누군가를, 언젠가 다시 찾아가 이번엔 오래 곁에 머물고 싶다고 생각하곤 한다. 다만 그 '언젠가'는 늘 순위와 형편에 밀려 자꾸 미뤄진다. 명왕성으로 다시 가려는 계획이 꼭 그렇다. 그러나 미뤄졌다는 것은 포기했다는 것과 다르다. 설계도가 이미 그려져 있는 한, 그 먼 세계로 향하는 문은 닫힌 것이 아니라 잠시 기다리고 있을 뿐이다. 그러니 오늘 당신이 마음에 품은 채 미뤄 둔 먼 약속이 있다면, 너무 늦었다고 접어 두지는 않았으면 한다. 아주 먼 곳으로 가는 길은 원래 더디게 마련이고, 우리는 그 오랜 기다림 끝에 끝내 다시 그곳으로 향하곤 하니 말이다. 명왕성이 우리를 오래 기다려 주듯, 당신의 그 먼 약속도 당신을 기다려 줄 것이다.