1977년 나사는 보이저 1호를 발사합니다. 보이저 1호의 미션은 목성과 토성을 관찰하고 관련 정보를 지구로 전송하는 것이었습니다. 미션은 4년 동안 진행이 될 예정이었고 목성과 토성의 관측을 끝내면 사실 보이저 1호는 계속 우주를 항해 날아가는 것 말고는 별 다른 미션이 주어지지 않을 예정이었습니다.

하지만 주어진 미션을 완수한 이후에도 보이저 1호는 놀라운 내구성을 보여주면서 계속해서 지구와의 교신을 이어갔습니다. 그리고 지금까지 인간이 만든 구조물 가운데 지구에서 가장 멀리까지 날아간 구조물이 되었고 아마도 앞으로 이 기록이 영원히 깨지지 않을 가능성도 상당히 높습니다(영화 인터스텔라에 나오는 것처럼 성간 우주여행이 가능해지지 않는 이상은 말입니다).

그런데 2012년 8월 25일 나사에서 보이저 1호가 드디어 성간 우주(interstellar space)에 진입했다고 발표했을 때 이 뉴스는 뜨거운 논란의 대상이 됩니다. 정말로 보이저 1호가 태양계를 벗어났느냐를 놓고 관련 학계는 물론 일반 대중들도 그렇다 아니다 갑론을박을 벌였습니다.

그렇다면 과연 보이저 1호는 태양계를 벗어난 것일까요? 아니면 여전히 태양계 내에 있는 것일까요? 그런데 이 문제는 칼로 무 베듯 그렇게 간단하지가 않다고 합니다. 태양계의 범위를 어떻게 정의하느냐에 따라 대답이 달라질 수 있으니까요.

태양계의 범위를 정하는 기준은 크게 두 가지가 있습니다. 우선, 태양의 중력이 작용하는 곳까지를 태양계의 범위로 정할 수 있다고 합니다. 태양의 중력이 어느 정도까지 영향을 미치는가 하는 것은 사실 정확하게 "여기까지다!"라고 말하기가 쉽지 않은 문제입니다. 그래도 일단 천문학자들은 오르트 구름까지는 태양의 중력이 작용하고 있다고 보고 있습니다.

오르트 구름은 카이퍼대 밖에 존재하는 작은 미행성체(planetesimals)들이 구름처럼 퍼져서 태양계를 구처럼 감싸고 있는 지역을 가리킵니다. 태양으로부터 약 1000AU에서 50,000AU에 걸쳐서 분포하고 있는 것으로 추정되는 지역이지요(참고로 1AU는 천문학에서 사용하는 거리단위로서 태양에서 지구까지의 거리이고 약 150,000,000km 정도입니다). 이 오르트 구름의 미행성체들이 어떤 중력의 균형에 변화가 생겨서 안쪽 태양계로 끌려 들어오게 되면 바로 장주기 혜성들이 된다고 합니다. 즉 오르트 구름은 장주기 혜성들의 고향이라고 할 수 있지요.



오르트 구름


그건 그렇고 다시 나사의 보이저 1호 발표로 돌아가 봅시다. 보이저 1호가 성간 우주로 진출했다는 나사의 발표는 보이저 1호가 이 오르트 구름을 벗어나서 그 밖으로 나갔다는 것을 의미하는 걸까요?

이걸 알아보기 위해서 일단 보이저 1호를 잠시 잊고 현재 지구에서 새로운 우주 탐사선을 발사한다고 생각해봅시다. 현재의 기술로 날아갈 수 있는 우주 탐사선의 속도는 대략 지구의 공전 속도와 비슷하다고 합니다. 즉, 다른 말로 하면 이 우주 탐사선이 1년 동안 우주를 날아가는 거리는 지구의 공전궤도 거리만큼 이라고 보시면 되겠지요. 이런 속도로 오르트 구름의 끝자락이라고 추정되고 있는 50,000AU를 날아가는데 걸리는 시간을 계산해 보면 약 8000년에서 9000년 정도가 된다고 합니다. 아까 보이저 1호가 언제 지구를 출발했다고 했지요? 예, 1977년입니다. 답은 나왔습니다. 보이저 1호는 오르트 구름은 고사하고 아직 오르트 구름의 "오"자의 "이응"까지도 가지 못한 상태입니다. 이 기준이라면 보이저 1호는 한참 태양계 "안"쪽에 있는 것이지요.

그렇다면 나사는 도대체 무슨 배짱으로 보이저 1호과 태양계를 벗어나서 성간 우주로 진출했다고 한 것일까요? 나사는 태양계의 범위에 대해서 위와는 다른 정의를 적용했습니다. 나사에서 생각한 태양계의 범위는 바로 태양의 중력이 아니라 태양의 자기장이 영향을 미치는 범위를 기준으로 한 것이었습니다.

태양에서 불어오는 태양풍은 전하 입자 즉 전자와 양성자들로 구성되어 있습니다. 이 전자와 양성자들이 이동하면서 자기장을 발생시키는데 이 자기장은 약 초속 400km의 속도로 성간 우주를 향해 이동해 간다고 합니다. 그런데 성간 우주 역시 텅 비어 있는 공간이 아니라서 여기에는 차가운 수소 가스, 우주 먼지, 이온화된 기체와 생명을 다해서 폭발한 별이 남긴 물질들과 다른 별들에서 나온 항성풍(stellar wind)이 불어오는 지역입니다.

이러다 보니 어쩔 수 없이 태양풍과 이런 성간 물질들은 서로 부딪히게 되고 이렇게 되면 태양권(heliosphere)라는 어떤 공간이 형성이 되게 된다고 합니다. 즉, 태양권은 태양의 자기장이 영향을 미치는 공간이 되는 것이지요. 이 경우 이러한 태양권과 성간 우주 사이에 경계면이 있을 것이고 그 경계면을 헬리오포즈(heliopause)라고 부르는 데 나사에서는 보이저 1호가 바로 이 헬리오포즈를 벗어났다고 발표를 한 것이었습니다.



태양권과 헬리오포즈...


그렇다면 나사는 어떤 데이터를 가지고 보이저 1호가 헬리오포즈를 벗어났다고 판단한 것일까요? 그것은 바로 보이저 1호에서 측정하는 전하 입자들의 성격이 바뀌는 것에 근거를 두고 있다고 합니다. 즉, 태양풍을 구성하는 입자들과 태양권 밖 성간 우주에서 불어오는 입자들은 서로 성질이 다르다고 합니다. 높은 에너지를 가진 입자들은 성간 우주의 초신성에서 오는 것들이고 이것들보다 낮은 에너지를 갖는 입자들은 태양풍에 실려 오는 입자들인데 어느 순간에 보이저 1호에서 탐지되는 입자들 가운데 낮은 에너지의 입자들의 비중의 줄고 이런 높은 에너지를 갖는 입자들이 갑자기 확 늘어났다는 것이지요. 검출되는 양쪽 입자의 비율 차이가 거의 100배에 이르렀다고 합니다. 이걸 바탕으로 해서 나사는 보이저 1호가 태양권과 성간 우주 사이의 경계면을 통과해서 성간 우주로 진입했다고 본 것이었습니다.

보이저 1호가 태양계를 벗어났는지 아닌 지는 어떤 정의를 적용하는가에 따라 달라지겠지만 단 하나 변하지 않는 사실은 보이저 1호가 우리 지구인들이 우주를 향에 보내는 메시지를 담고 묵묵하게 계속해서 저 멀리 외로운 우주여행을 하고 있다는 점이겠지요.



보이저 1호...너 임마! 힘내!...


사족) 이름과 다르게 보이저 2호는 보이저 1호보다 더 먼저 발사되었습니다. 보이저 2호는 77년 8월 20일, 보이저 1호는 77년 9월 5일날 발사가 되었습니다. 그런데 왜 보이저 1호가 보이저 2호보다 더 멀리 여행을 했냐하면 보이저 1호는 목성, 토성 탐사를 끝내고 바로 광활한 우주 공간을 향해 날아간 반면 보이저 2호는 부여받은 미션대로 목성, 토성을 지나서 천왕성과 해왕성을 거치는 바람에 거리와 속도에서 손해를 보면서 보이저 1호보다 상대적으로 덜 멀리 날아가게 되었습니다. 우리 보이저 2호에게도 박수를! 짝짝짝!!!


이 글은 Lisa Randall의 책 [Dark Matter and the Dinosaurs: The Astounding Interconnectedness of the Universe]를 바탕으로 해서 작성되었습니다.