어렸을 때부터 천체 관측에 관심이 많았던 저는 집에 있던 망원경으로 수금지화목까지는 관측할 수 있을 거라 생각했습니다. 실제로 금성과 화성, 목성은 운이 좋을 때 또렷하게 볼 수 있었지만 수성만큼은 달랐습니다. 태양에 가장 가까운 행성이라는 타이틀이 무색하게, 수성은 제 망원경 렌즈 안에 단 한 번도 들어오지 않았습니다. 당시엔 단순히 제 실력이 부족해서라고 생각했는데, 나중에 알고 보니 수성 관측은 아마추어 천문가에게 가장 어려운 과제 중 하나였습니다. 태양빛에 가려 관측 시기가 극히 제한적이고, 초속 47km라는 엄청난 속도로 공전하기 때문에 타이밍을 잡기가 정말 어렵습니다.
수성의 나트륨 꼬리와 관측의 난이도
수성에도 혜성처럼 꼬리가 있다는 사실을 최근에야 알게 됐을 때, 솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 행성에 꼬리라니, 처음엔 믿기지 않았죠. 하지만 이건 과학적으로 명확하게 확인된 현상입니다. 태양풍이 수성 표면의 나트륨 원자를 쓸어내면서 뒤쪽으로 길게 뻗어 나가는데, 그 길이가 무려 2,400만km에 달합니다. 지구 지름의 약 1,900배에 해당하는 엄청난 규모입니다.
여기서 태양풍(Solar Wind)이란 태양 표면에서 방출되는 고에너지 입자들의 흐름을 의미합니다. 이 입자들이 초속 수백 km의 속도로 우주 공간을 가로지르며 행성 표면과 상호작용하는 거죠. 수성의 경우 대기가 거의 없기 때문에 이 태양풍이 표면을 직접 때리면서 나트륨 원자를 우주 공간으로 날려 보냅니다.
1980년대부터 학자들은 수성에 꼬리가 있을 것이라고 예상했지만, 실제 관측은 2001년에야 이루어졌습니다. 하와이 마우나케아 천문대에서 특수 나트륨 필터를 장착한 망원경으로 장기간 촬영한 끝에 드디어 확인된 겁니다(출처: NASA). 하지만 이 장면은 맨눈으로는 절대 볼 수 없고, 전문 장비가 필요합니다. 제가 집에서 망원경으로 수성을 찾으려 했던 시도가 얼마나 무모했는지 이제야 이해가 됩니다.
수성이 관측하기 어려운 이유는 다음과 같습니다.
- 태양에 너무 가까이 붙어 있어 태양빛에 가려짐
- 초속 47km의 빠른 공전 속도로 관측 타이밍 포착이 어려움
- 지구에서 볼 수 있는 시기가 일 년 중 극히 제한적
- 특수 필터 없이는 나트륨 꼬리 관측 불가능
제 경험상 이건 좀 다릅니다. 아마추어가 수성을 관측하려면 단순히 장비만 좋다고 되는 게 아니라, 관측 시기와 날씨, 대기 상태까지 모든 조건이 완벽하게 맞아떨어져야 합니다. 저는 몇 번이나 새벽에 일어나 동쪽 하늘을 봤지만, 수성은 단 한 번도 제 눈에 들어오지 않았습니다.
수성 탐사의 극한 난이도와 환경
수성에 탐사선을 보내는 것은 목성이나 명왕성보다 훨씬 어렵다는 사실을 아십니까? 거리만 보면 수성이 훨씬 가깝지만, 실제 탐사 난이도는 비교할 수 없을 정도로 높습니다. 첫 번째 난관은 수성의 속도입니다. 수성은 시속 약 17만km로 태양을 공전하는데, 이건 지구 공전 속도의 약 1.6배에 달합니다. 탐사선이 단순히 추력만 써서 내려가려 하면 그냥 쑥 지나쳐 버리거나 태양 중력에 잡혀 태양으로 추락하게 됩니다.
여기서 이심률(Eccentricity)이란 천체 궤도가 얼마나 찌그러진 타원인지를 나타내는 수치입니다. 완전한 원은 0이고, 찌그러질수록 1에 가까워지죠. 지구의 이심률은 0.0167로 거의 원에 가깝지만, 수성은 0.2056으로 태양계에서 가장 찌그러진 궤도를 가지고 있습니다. 게다가 수성의 공전 궤도면은 지구와 약 7도 차이가 나기 때문에 탐사선 궤도를 정교하게 계산해야 합니다.
그래서 탐사선은 스윙바이(Gravity Assist) 기법을 사용합니다. 스윙바이란 다른 천체의 중력을 이용해 탐사선의 속도와 방향을 바꾸는 기술입니다. 1973년 메리너 10호는 금성의 중력을 이용해 처음으로 수성에 도달했고, 2004년 발사된 메신저는 지구 1회, 금성 2회, 수성 3회 총 6번의 스윙바이를 거쳐 2011년에야 수성 궤도에 진입했습니다(출처: NASA JPL). 앞으로 수성을 탐사할 베피 콜롬보는 무려 9번의 스윙바이를 계획하고 있습니다. 이건 거의 우주 곡예에 가깝습니다.
수성의 환경도 극한입니다. 낮에는 430도까지 올라가고 밤에는 영하 180도까지 떨어집니다. 온도 차이가 무려 600도가 넘는 거죠. 이런 극단적인 일교차가 생기는 이유는 수성에 대기가 거의 없기 때문입니다. 대기가 없으니 낮에 받은 열을 밤까지 보존할 수 없고, 태양이 지면 즉시 우주 공간으로 열을 방출해 버립니다.
흥미롭게도 수성은 태양에 가장 가까운 행성이지만 태양계에서 가장 뜨거운 행성은 아닙니다. 진짜 찜통은 금성입니다. 금성은 두꺼운 이산화탄소 대기 덕분에 온실효과가 극대화되어 표면 온도가 약 460도에 달합니다. 태양에서 두 번째인데 첫 번째보다 더 뜨거운 셈이죠.
저는 수성의 환경을 조사하면서 이 행성이 점점 작아지고 있다는 사실도 알게 됐습니다. 수성 내부의 거대한 철핵이 서서히 식으면서 전체가 수축하는 겁니다. 지난 45억 년 동안 수성의 반지름은 약 5~10km 줄어들었는데, 부피로 따지면 태평양 하나가 통째로 사라진 것과 비슷한 수준입니다. 이 과정에서 수성 표면에는 수천 km 길이의 단층 절벽이 생겼고, 나사의 메신저 탐사선이 이를 직접 촬영했습니다. 수성은 태양계에서 유일하게 몸집이 줄어든 사실이 확인된 행성입니다.
수성은 질량과 직경 모두 태양계에서 가장 작습니다. 지구와 비교하면 지름은 40%, 질량은 겨우 5%밖에 안 됩니다. 2006년 명왕성이 행성 지위에서 박탈되면서 수성이 꼴찌가 됐죠. 하지만 밀도는 지구의 98%에 달합니다. 작지만 속이 꽉 찬 묵직한 행성인 셈입니다. 수성 부피의 무려 61%가 철과 니켈로 이루어진 핵이기 때문입니다. 지구는 핵이 부피의 16%밖에 안 되니까, 수성의 핵이 얼마나 거대한지 알 수 있죠.
계속 작아지다 보면 언젠가 수금지화목토천해 여기서 수성이 사라지는 날이 올지도 모르겠습니다. 물론 그건 수십억 년 이후의 일이겠지만, 우주적 시간으로 보면 결코 길지 않은 시간입니다. 제가 망원경으로 수성을 찾으려 했던 그 날들이 이제는 더 소중하게 느껴집니다. 비록 한 번도 보지 못했지만, 언젠가는 제대로 된 장비와 타이밍으로 수성과 그 신비로운 나트륨 꼬리를 직접 관측해 보고 싶습니다.