화성 탐사대
2화

화성에 생명이 있을까?

차세대 우주선은 조만간 밝혀낼 것이다

화성의 예제로 분화구.
대략 35억 년 전, 지구와 화성의 상태는 비슷했다. 둘 다 두터운 대기층으로 덮여 있었고, 표면에는 액체 상태의 물이 있었다. 다시 말해 둘 다 생명체가 살 수 있는 환경을 갖추고 있었다. 실제로 둘 중 한 행성에는 생명체가 존재했다. 지구에서 정확히 언제 생명 작용이 시작되었는지는 여전히 불분명하다. 하지만 대략 35억 년 전, 태양계가 형성된 후 10억 년이 지난 그 시점에 지구는 생명의 조건을 갖추고 있었다. 그 이후로는 현재 볼 수 있는 복잡한 형태의 생명체들이 무성한 곳으로 진화했다. 한편, 화성은 얼어붙은 사막이 되었다.

그럼에도 불구하고 의문은 여전히 남아 있다. 지구에 생명체가 출현하는 데 필요한 조건이 있었던 것처럼, 화성에도 비슷한 조건을 갖춘 기간이 있었던 것은 아닐까? 만약 그랬다면, 극미량이라고 할지라도, 어떤 형태로든 그 흔적이 남아 있지 않을까?

이 질문에 답하려면 화성에 직접 가봐야 한다. 사람이 갈 수 없다면, 로봇이라도 가야 한다. 지금은 화성에 갈 수 있는 적기다. 지구와 화성이 일렬로 서게 되는 지금 화성까지 일곱 달도 걸리지 않는 최단 거리 조건이 형성되기 때문이다. 7월 20일, 일렬 상태를 활용하려는 행렬의 첫 번째 우주선이 출발했다. “희망”이라는 뜻을 가진 아말(Al Amal)호가 일본의 규슈 남쪽 끝 다네가시마(種子島)의 다네가시마 우주 센터에서 발사됐다. 아말은 화성의 기상을 연구하기 위해 제작된 궤도 탐사선으로, 화성의 대기가 어떻게 우주 공간으로 빠져 나갔는지를 살펴보게 된다. 아랍에미리트(UAE)는 아말을 발사하면서 외계의 천체에 탐사선을 보낸 국가가 되었다.

아말의 뒤를 이어 7월 23일에는 궤도 탐사선, 착륙선, 탐사 차량 등으로 구성된 우주 비행체로 “하늘에 묻는다”는 뜻을 가진 톈원(天問) 1호가 중국 하이난성 원창 위성 발사 센터에서 발사되었다. 착륙선의 잠정적인 목적지는 운석 충돌로 생긴 거대한 분지인 유토피아 평원(Utopia Planitia)이다. 이곳은 1976년 미국의 우주선 바이킹 2호가 착륙했던 곳이다. 지금까지 중국 당국은 톈원 1호의 과학적인 목적을 상세히 밝히기를 거부하고 있다. 알려진 바에 따르면, 탐사선은 화성의 얼음 분포를 연구해 화성에서 생명체의 거주 가능성이 어떻게 변해 왔는지 연구할 것으로 추정된다.

우주 함대의 세 번째 멤버는 언론의 관심도가 상대적으로 낮아 이슈가 되지 않았다. 미국 항공 우주국(NASA)은 7월 30일 케이프 커내버럴(Cape Canaveral)에서 1톤짜리 6륜 탐사 차량인 퍼시비어런스(Perseverance)를 발사하려 하고 있다. 플로리다의 케이프 커내버럴에는 미국의 주요 우주 발사 기지가 있다. 시설 구축과 발사에 24억 달러(2조 8711억 원)가 투입되고, 임무를 수행하는 과정에서 3억 달러(3589억 원)의 비용이 추가로 소요되는 프로젝트다. 지금까지 미국이 화성 표면에 보낸 것들 중 가장 정교한 차량이 될 전망이다.

 

옛날 옛적에


퍼시비어런스의 목적지는 예제로(Jezero)라고 불리는 45킬로미터 너비의 분화구인데, 이곳은 35억 년 전에는 호수 지역이었다. 이 탐사 차량의 주요 목표는 고대 생명체의 흔적을 찾는 것이다. 화성의 암석들을 지구로 가져오기 위한 장장 10년간의 계획이 시작되는 것이기도 하다. 예제로는 39억 년 전에 속살을 드러낸 또 다른 대형 충돌 분지인 이시디스 평원(Isidis Planitia)의 내륜(inner rim)에 위치해 있다. 한때 그 안에 호수를 만들었던 물의 발원지 중 하나는 잘 보존되어 있는 삼각지로 이어지는 강이었던 것으로 보인다. 이러한 특징을 가진 퇴적층들은 화성의 생명 체계 탐색에서 주된 목표 지점이 되고 있다(상단 사진에서는 광물질 구성에 따라 색깔로 구분되어 있다).

지구에서는 생명체에 대한 가장 오래된 증거들이 스트로마톨라이트(stromatolites, 약 35억 년 전에 퇴적된 최초의 원핵 세포 유형의 화석)의 형태로 나타나는 경우가 있다. 스트로마톨라이트는 층 구조를 갖고 있는데, 이러한 층은 미생물 군락들이 얕은 물의 표면에서 퇴적물을 가두면서 자라날 때 형성된다. 가장 오래된 스트로마톨라이트는 2016년에 그린란드에서 발견된 것으로 추정된다. 생성 시기는 지금으로부터 37억 년 전으로 거슬러 올라간다. 만약 그때까지 지구에서 스트로마톨라이트를 만들어 내는 유기체가 진화하는 데 충분한 시간이 있었다면, 화성에서도 진화가 일어나지 않았을 거라는 법은 없다.

그렇지만 암석 안에서 스트로마톨라이트 같은 층을 발견하는 것만으로는 충분하지 않을 것이다. 연구자들은 관련된 암석의 재질과 그 안에 들어 있을 수도 있는 분명한 증거인 광물과 유기 분자(organic molecule)도 고려해야 한다. 조금 복잡하지만, 화학적으로는 유기 분자가 반드시 생명체의 기원은 아니다. 유기 분자는 탄소 원자를 중심으로 만들어진 분자를 의미한다. 그렇기 때문에 무생물에서도 유기 분자가 생겨날 수 있다. 따라서 유기 분자의 생물학적 성질은 다른 증거들로 입증되어야 한다. 퍼시비어런스 미션의 부 프로젝트 과학자(deputy project scientist)인 지질학자 캐서린 스택 모건(Kathryn Stack Morgan)은 이렇게 말한다. “이것은 지구의 암석에 기록된 생명 지표가 유효하다는 것을 입증하기 위해서 하는 연구와 정확히 같은 방식입니다. 우리가 가진 도구를 활용하면 사상 처음으로 화성에서 그 작업을 수행할 수 있습니다.”

 

암석과 단단한 지역


퍼시비어런스는 특별히 두 개의 도구를 운반하게 된다. 탐사 차량이 마주하게 될 암석의 표면을 검사하기 위한 것이다. 두 장비 모두 관련 있는 광물과 유기 분자를 찾을 것이다. 차량의 로봇 팔 끝에 달린 셜록(SHERLOC)은 차량이 마주치는 암석의 작은 알갱이에 레이저를 비출 것이다. 그 위에서 산란되어 돌아오는 빛의 스펙트럼을 분석함으로써, 이 장치는 정밀 조사 중인 알갱이의 분자를 확인할 수 있다. 셜록이 추가로 조사해 볼 가치가 있다고 판단한 암석이 있으면, 카메라인 왓슨(WATSON)이 가까이에서 근접 촬영을 하게 된다.

셜록이 화학적으로 분석한 내용을 왓슨이 촬영한 고해상도의 이미지에 매핑(mapping)하면, 다양한 광물 층들이 어떤 배열과 재질을 갖고 있는지를 알 수 있다. 이는 나사(NASA·미 항공우주국)가 2012년에 화성으로 보내 운용하고 있는 탐사 차량 큐리오시티(Curiosity)에 탑재된 장비에 비해서 크게 향상된 결과를 가져올 것이다. 큐리오시티는 암석을 갈아서 커다란 물질 안에 유기 분자가 들어 있는지 아닌지를 알아낼 수 있을 뿐이다. 만약 화성에 스트로마톨라이트가 있다면, (또는 보다 복잡한 생명체의 화석이라도 있다면) 퍼시비어런스가 화학적이고 광학적인 방식으로 확인할 수 있을 것이다.
철저한 수집/ 화성 표면 탐사 미션/발사 주체, 유럽(주황색), 소련(붉은색), 미국(푸른색), 중국(보라색)/ 미션 현황, 성공, 계획, 실패/ 출처: 나사, 행성 협회
큐리오시티가 그랬던 것처럼, 퍼시비어런스는 목표 지점을 향해 최대 시속 1만 9500킬로미터의 속도에 도달한 다음, 그 후에는 자동 항법 장치의 안내를 받으며 화성의 대기를 통과해서 표면에 착지하게 될 것이다. “우리는 그 순간을 공포의 7분이라고 부릅니다.” 이번 미션에서 부 프로젝트 매니저(deputy project manager)를 맡고 있는 엔지니어 맷 월리스(Matt Wallace)의 말이다. 그다음에는 탐사 차량이 자율적으로 일상적인 작전을 수행하게 된다. 지구에서 화성까지 전파가 도달하는 데는 시간이 걸리기 때문에 퍼시비어런스는 하루에 한 번만 지시를 수신하게 된다. 화성의 표면 위에서 탐사 차량은 23개의 카메라로 들어오는 사진들을 실시간으로 처리해 방해가 되는 암석은 물론 절벽과 같은 훨씬 더 심각한 위험 요소들을 발견하고 피해야 할 것이다. 이렇게 자율성이 있기 때문에 이 신형 탐사 차량은 화성의 표면을 시속 약 150미터의 속도로 일상적으로, 안전하게 가로지를 수 있을 것으로 나사는 확신하고 있다.

퍼시비어런스는 눈뿐 아니라 귀도 갖고 있다. 한 쌍의 마이크가 탑재되어 있어서, 화성에서 바람이 부는 소리를 처음으로 들어볼 수 있게 해줄 것이다. 그리고 (화성의 토양이라고 알려진 암석 부스러기인) 표토를 가로질러 움직일 때 차량의 장비들이 돌아가는 소리와 바퀴가 으스러지는 소리, 그리고 로봇 팔의 맨 끝에 있는 드릴이 연구할 암석 표본을 깰 때 나는 충격음도 들을 수 있을 것이다.

조사를 마친 표본들이 전부 버려지는 것은 아니다. 일부는 화성 표본의 귀환(Mars Sample Return) 미션이라는 프로젝트를 통해 지구로 오기 위해 포장될 것이다. 이 미션은 나사와 유럽 우주 기구(ESA)가 10년에 걸쳐서 다섯 개의 우주선을 발사하는 협업 과정의 일환이다. 퍼시비어런스는 그 첫 번째 미션으로, 기지국이 추가로 조사할 가치가 있다고 생각하는 화성의 암석 샘플을 대략 30개의 티타늄 원통들 중 하나에 밀봉하는 것이 임무다. 하단의 그림처럼 퍼시비어런스는 티타늄 원통들을 화성의 표면에 남겨 두면, ESA가 설계해서 2028년 초에 화성에 도착할 것으로 보이는 “회수 차량”이 수거한다. 수집된 원통들은 중계 우주선 시스템을 통해 지구로 되돌아오고, 내용물은 분석될 것이다.

가장 흥미로운 것은 퍼시비어런스가 데리고 다니는 1.8킬로그램의 헬리콥터 인제뉴어티(Ingenuity)다. 이 헬기가 (지구 표면에 비해서 밀도가 1퍼센트 정도에 불과한) 화성의 옅은 대기 속을 날아오르는 것은 지구가 아닌 다른 천체에서 실현된, 우주선의 이착륙이 아닌 최초의 통제된 비행으로 기록될 것이다. 성공하면 향후의 미션에서 보다 정교한 드론들이 정찰 임무를 수행할 수 있는 길이 열린다.

 

모든 접촉은 흔적을 남긴다[1]


퍼시비어런스에 실린 생명 탐사 장치들은 이전까지 활용된 어떤 것들보다 발전된 형태다. 그러나 퍼시비어런스가 나사의 화성 생명체 탐사 시도에서 큐리오시티 다음 단계로 계획되어 있었던 것은 아니다. 2012년 2월, 큐리오시티가 화성에 다가가고 있을 무렵, 버락 오바마 행정부는 나사의 행성 탐사 예산을 5분의 1로 삭감했다. 당시 미국의 과학자들은 ESA와의 협업으로 엑소마스(ExoMars)라는 프로그램을 개발하고 있었다. 여기에는 2016년부터 생명의 흔적을 탐지하기 위한 도구를 갖춘 궤도 탐사선과 다수의 탐사 차량을 발사한다는 내용이 포함되어 있었다.

오바마 대통령의 예산 삭감으로 미국은 엑소마스 프로그램에서 빠지게 되었다. 2012년 8월에 큐리오시티가 화성에 도착했을 당시만 해도, 나사는 더 이상의 탐사 차량을 보낼 계획이 없었다. 하지만 큐리오시티의 아슬아슬한 착륙이 대중들에게 놀라울 정도로 긍정적인 반응을 얻으면서, 항공우주국의 국장이 상급자들에게 (예산 삭감의) 재고를 설득할 수 있었다. 예산 증액 없이 규모를 줄인 버전으로 이전 계획을 추진하게 되면서 몇 달 뒤 퍼시비어런스로 알려진 미션이 발표되었다.

한편, ESA는 엑소마스 프로그램의 일부를 계속해서 유지하며 발사 및 하드웨어 장비와 관련해 러시아에 도움을 요청했다. 2016년 ESA는 이 프로그램의 첫 번째 단계인 트레이스 가스 오비터(Trace Gas Orbiter·TGO·미량 기체 궤도 탐사선)를 선보였다. TGO의 목표는 메탄, 수증기, 산화질소, 아세틸렌 등의 물질로 구성된 화성 대기의 정확한 농도를 측정하는 것이다. 화성 대기의 전체 부피에서 이들 물질이 차지하는 비율은 각각 1퍼센트 미만이지만, 그 안에는 생명 체계의 흔적이 있을 수도 있다.

메탄은 생성 시기와 장소에 따라 화성 표면에 다르게 분포한다는 점에서 관심을 끈다. 화성의 대기에서 메탄은 오래 남아 있지 않고 우주로 빠져 나간다. 이는 메탄을 계속해서 만들어 내는 원천의 존재를 시사하고 있다. 지구에서는 생명체가 영양분을 소화시킬 때 메탄을 방출한다. 하지만 메탄은 지질학적인 과정만으로도 만들어질 수 있다.

엑소마스 프로그램의 다음 단계는 로잘린드 프랭클린(Rosalind Franklin)이라는 탐사 차량이다. 로잘린드 프랭클린 역시 현재의 기회(화성과의 거리가 짧아지는 시기)를 활용한 발사가 예정되어 있었다. 하지만 기술적인 지연에 코로나19의 영향이 겹치면서(코로나19의 발생으로 참여하고 있는 엔지니어 팀원들이 탐사 차량의 제조와 테스트를 완료하기 위해 쉽게 이동할 수 없게 되었다), 지구와 화성이 다시 나란히 정렬하게 되는 2022년으로 발사 일정을 연기했다.

계획대로 진행된다면 로잘린드 프랭클린은 2023년에 화성에 도착하게 된다. 탐사 차량은 옥시아 플라눔(Oxia Planum)이라는 지역의 표면을 오갈 것이다. (생성 시기가) 약 40억 년 전으로 거슬러 올라가는 점토가 있는 이 지역은 인류가 화성에서 탐사한 가장 오래된 지역으로 기록될 것이다. 점토 광물이 형성되기 위해서는 물이 필요하기 때문에 옥시아 플라눔이 한때는 생명 친화적인 지역이었을 수도 있다는 기대감이 크다.

로잘린드 프랭클린에 실린 과학 장비들은 퍼시비어런스보다도 훨씬 더 정교하게 분석할 수 있다. 특히 화성 유기 분자 분석기(Mars Organic Molecule Analyser, MOMA)는 효과적으로 암석과 표토의 유기 분자를 추출할 수 있을 것이다.

이전에도 화성의 유기 분자를 연구하려던 시도들이 있었지만, 과염소산염(perchlorates)이라는 화학 물질로 인해 어려움을 겪어 왔다. 이 물질은 2008년에 나사의 피닉스(Phoenix) 착륙선을 통해 처음 발견됐고, 5년 뒤 큐리오시티가 그 존재를 확인했다. 지금까지의 미션에서는 화성의 표본을 오븐에 가열해서 유기물을 방출시켰다. 이 과정에서 과염소산염의 염소와 산소가 함께 방출되는데, 이들 기체가 내부에 존재하는 유기 분자의 대부분을 산화시켰다. MOMA는 자외선 레이저를 활용해 암석 표본에서 유기 분자들을 매우 빠르게 털어 냄으로서 이런 문제를 피할 것이고, 이렇게 하면 과염소산염이 존재하더라도 (염소와 산소로) 분해될 시간이 없다.

그러나 로잘린드 프랭클린이 가진 가장 중요한 도구는 표면 2미터 아래에서 표본을 수집할 수 있는 드릴이다. 드릴은 유기 분자가 발견될 수 있는 물질들을 양호한 상태로 보존했다가 다시 복원하는 데 핵심적인 역할을 한다. 화성은 대기가 옅기 때문에, 우주의 이온화 방사선(ionising radiation)이 쉽게 침투해 들어온다. 방사선은 화성의 표면에 충돌하고, 표면 아래로도 들어간다. 엑소마스의 수석 과학자인 호르헤 바고(Jorge Vago)는 이렇게 설명한다. “이런 이온화 방사선은 수백만 년 동안 수없이 많은 작은 칼날처럼 우리가 찾으려 하는 유기 분자들의 작용기(functional groups, 유기 화합물의 성질을 결정하는 데 영향을 미치는 특정 원자단이나 구조)를 천천히 잘라 냅니다.” 하지만 드릴을 활용해서 충분히 깊게 파고든다면, 두께가 몇 미터인 암석의 아래에 있어서 방사선에 노출되지 않은 물질을 채취할 수 있다. ESA의 연구 모델에 따르면 1.5미터 아래의 표본들은 과학적으로 흥미로운 연구 대상이 될 것으로 보인다. 지금까지 화성 표면에서 가장 깊이 진입한 미션도 겨우 몇 센티미터 수준에 불과했다.
나사의 화성 탐사 차량 퍼시비어런스.
이러한 보물찾기에서 지구 생명체의 특징들인 세포막을 구성하는 당분이나 인지질(phospholipid), 유전 물질의 “기호들(letters)”인 뉴클레오티드(nucleotide), 또는 단백질 덩어리를 만드는 아미노산(amino acid)을 찾기라도 한다면 그야말로 잭팟이 터지는 것이다. 하지만 효소의 활동 흔적처럼 화학적 성질 안에서 간접적인 생명의 신호라도 발견할 수 있다면 적어도 격려상 정도는 받을 수 있는 성과가 될 것이다. 바고 박사의 설명처럼 비생물적 합성에서 흔히 이루어지는 기초적인 화학 작용에는 탄소가 들어 있지 않지만, 지구에서 지방산(fatty acid)이 생물학적으로 합성되는 방식에는 일반적으로 짝수의 탄소 원자가 들어 있다. 화성의 유기 분자에서 이러한 패턴 또는 이에 준하는 놀라운 화학적인 증거를 발견한다면, 화성에 생명체가 실존하거나 한때는 존재했기를 바라는 이들에게 용기를 줄 것이다.

 

많은 도전들


UAE가 아말을 발사했다는 사실은 작은 나라도 결심만 선다면 우주 경쟁에 참가할 수 있다는 사실을 보여 준다. 하지만 UAE가 만만찮은 우주 강국이 될 거라고 생각하는 이들은 없다. 이미 여섯 차례나 달에 성공적으로 방문한 중국은 이미 우주 강국의 반열에 들었다. 톈원 1호가 화성 클럽에 가입하려는 중국의 첫 번째 시도도 아니다. 2011년에 반딧불이라는 뜻의 잉훠(螢火) 1호가 러시아의 탐사선인 포보스 그룬트(Phobos-Grunt)를 타고 탐사를 시도했다. 불행하게도 이 연합 미션에서는 추진력을 제공하는 로켓이 제대로 작동하지 않았고, 탐사선은 지구 궤도를 탈출하는 데 실패했다. 이번에는 중국이 독자적으로 발사를 추진하고 있다.

알려진 바에 따르면 이번 미션은 카메라, 화학 실험 도구, 자기력 측정 장치, 레이더 등을 포함한 12개 정도의 과학 장비들을 포함하고 있다. 중국 국가 항천국의 관계자들은 이 계획이 화성의 표면에 대한 자세한 조사 활동을 목적으로 한다고 말한다. 예를 들면, 지표 투과 레이더(GPR)는 표토 내부에 있는 층의 두께와 성분을 측정할 수 있고, 표면으로부터 100미터 이내에 얼음이 있다면 식별할 수 있다.

착륙 시스템에 대해 알려진 세부 사항이 정확하다면, 이 프로젝트에는 정교한 우주선이 사용될 것이다. 총설계자인 장룽차오(張榮橋)는 2019년 중국의 텔레비전 시청자들에게 이 착륙선은 70미터 높이에서 우주선의 본체로부터 분리된 다음, 안전한 착륙 지점을 찾을 때까지 선회할 것이라고 밝혔다. 표면에 접근할 때는 카메라와 레이저 스캐너가 작동해서 착륙선이 장애물을 피할 수 있게 도와줄 것이다.

톈원 1호 착륙선의 장비 목록은 퍼시비어런스나 로잘린드 프랭클린이 계획하고 있는 정교한 생명체 탐사 활동과 같은 임무를 수행할 수 있을 것으로는 보이지 않는다. 하지만 ESA와 NASA의 표본 회수 미션에 투입되는 두 대의 탐사 차량은 지구 이외의 다른 곳에 생명체가 존재하는지, 또는 존재했는지 답을 찾을 현실적인 가능성을 제시하고 있다. 이들이 생명의 존재를 찾아내는 데 실패한다면 실망스럽겠지만, 화성과 다른 행성에서의 탐색은 계속될 것이다. 반면 답이 긍정적이라면, 박테리아 수준이거나 이미 멸종된 상태라고 하더라도, 니콜라우스 코페르니쿠스와 찰스 다윈의 발견만큼이나 인류가 스스로를 바라보는 관점을 바꿔 놓을 것이다.
[1]
과학 수사의 선구자로 알려진 프랑스의 법의학자 에드몽 로카르(Edmond Locard)의 교환 법칙(exchange principle). 물리적 세계에서 접촉이 일어나면 흔적이 남고, 교환이 일어나면서 사라지는 물질이 생긴다는 것이다.
다음 이야기가 궁금하신가요?
프라임 멤버가 되시고 모든 콘텐츠를 무제한 이용하세요.
프라임 가입하기
추천 콘텐츠
THREECHAIRS
PUBLISHING COMPANY
(주)스리체어스 서울시 중구 삼일대로 343 9층
Business Registration No. : 101-86-90847
Mail Order Sales No. : 2014-서울종로-0959
대표 : 이연대
02)
396-6266