By DANIEL OBERHAUS, WIRED US

나사(NASA)는 2024년, 50여 년 만에 달에 새로운 발자국을 남기려고 한다. 달의 표면을 며칠간 떠돌아다닌 아폴로 탐사선과 달리 나사는 이번 탐사 계획을 통해 탐사선에 탑승한 우주비행사들을 달에 착륙시키고자 한다. 달에 인간이 지속적으로 존재할 수 있다는 것은 달에 정착하는 방법을 알아낼 수 있음을 의미한다. 생명체가 존재하기 어렵고 황량한 환경을 지닌 달에서 인간이 정착하는 것은 불가능에 가까울 정도로 어려운 일이다. 나사는 우주비행사들이 달의 표면에 쉼터를 건설하고 소변을 비료로 사용하도록 계획하고 있다. 그러나 이 과정에 물이 얼마나 많이 필요한가가 주된 의문사항이다.

우주비행사들에게는 생명을 유지하기 위해 물이 필요하다. 또, 물의 구성 성분을 세부적으로 나누어보자면, 수소와 산소가 필요하다. 로켓 연료를 만들기 위한 용도이다. 나사는 수년 전부터 달의 극지방에 일정량의 얼음이 존재한다는 사실을 알고 있었다. 그러나 극지방에서 발견된 얼음 대부분이 달의 분화구 아래에 있다는 점이 문제이다. 분화구는 온도가 극도로 낮고 바위투성이 지형인데다가 햇빛이 없어, 로봇 탐사선이 달을 탐사하고 정보를 모으는 역할을 수행하는 과정에서 각종 문제가 발생할 것이다. 그러나 10월 27일, 네이처 천문학(Nature Astronomy)에 두 편의 논문이 게재됐다. 해당 논문들은 달에는 이전에 알려진 것보다 더 많은 양의 물이 존재하며, 달의 남극에 존재하는 영구음영지대인 콜드 트랩(cold trap) 외의 영역에도 물이 존재한다고 주장한다.

2018년, 나사 고다드우주비행센터(Goddard Flight Center) 박사후연구원 소속 케이시 호니볼(Casey Honniball) 박사의 연구팀은 나사가 천문학 관측소로 개조한 점보제트 747대를 이용해 달에서 물을 찾았다. 호니볼 박사 연구팀이 사용한 고공비행이 가능한 공중 적외선 망원경 '소피아(Sofia)'에는 물의 존재를 확인할 수 있는 적외선 파장으로 달의 표면을 원격으로 관측할 수 있는 장비가 탑재됐다. 호니볼 박사는 남극에 위치한 달에서 두 번째로 큰 분화구 클라비우스(Clavius)를 집중적으로 관측했다. 이때, 클라비우스 전 영역에서 물 분자가 확산되는 것을 발견했다. 달에서 햇빛이 비치는 영역에서도 물 분자가 관측됐다.

호니볼 박사는 10월 23일 저녁 기자회견에서 기자들에게 "물 분자는 달의 표면에 존재할 수 없는 것으로 알려졌습니다"라고 전했다. 호니볼 박사의 관측 이전에 과학자들은 달에서 영구적으로 햇빛을 받지 못해, 온도가 영하 200℉(영하 93.3℃)로 매우 낮은 콜드 트랩 물이 보관된 경우에만 표면에도 물이 존재한다고 생각했다. 과학자들은 음영지대에 없는 물 분자가 방사능 때문에 파괴됐거나 온도가 상승하면서 콜드 트랩에 도달하거나 얼음으로 냉각되기 전에 달 표면에 충돌했을 것이라고 추측했다. 즉, 물 분자의 농도가 고체와 액체, 기체 등으로 볼 수 없을 정도로 적다고 추측한 것이다. 호니볼 박사는 "이제 달에 물 분자가 존재한다는 사실을 확실히 알게 됐습니다"라고 말했다.
 
호니볼 박사의 데이터에서는 형태는 다르지만, 물이 콜드 트랩 이외 영역에서도 존재할 수 있다는 점이 드러났다. 호니볼 박사는 물이 얼음 형태 대신 분자 형태로 레골리스(regolith)에 존재한다는 사실이 데이터를 통해 확인됐다고 설명한다. 연구 논문의 공동저자인 하와이대학교 행성과학자 폴 루시(Paul Lucey) 박사는 "연구 과정에서 관측한 달의 영역의 기온은 약 77℉ (25℃)였습니다. 해당 영역과 같은 기온에서는 물이 진공 상태에서 어떠한 형태로든 존재할 수 있다는 점을 확인했습니다"라고 전했다. 이어, 그는 "정확한 이유는 아직 모르겠지만, 저희 연구팀이 발견할 수 있는 형태로 물이 존재했습니다"라고 덧붙였다. 이제 주된 의문점은 물이 달의 표면에 존재하게 된 이유이다.

한 가지 가설은 물이 태양풍에 휩쓸려 양성자 형태로 달에 도달하게 된 것이다. 양성자가 산소가 풍부한 달의 레골리스와 상호 반응을일으킬 때, 수소 분자를 잃은 물이라고 할 수 있는 히드록실(hydroxyl)을 형성하게 된다. 여러 우주탐사선의 데이터에 따르면, 히드록실은 달의 표면에 풍부하다. 그러나 해당 우주탐사선들은 히드록실과 물의 차이점을 구체적으로 분석하는 데 필요한 장비를 갖추지 않았다. 달 탐사 연구에 참여하지 않은 행성과학연구소(Planetary Science Institute) 소속 연구원인 맷 시글러(Matt Siegler) 박사는 "당시 저희 연구소 팀원들은 달에서 물을 찾는다는 목표를 두지 않았습니다. 그렇기 때문에 우주탐사선에는 달에 존재하는 물을 찾을 수 있도록 설계된 장비가 탑재되지 않았습니다. 히드록실을 지켜볼만 합니다. 그러나 실제 물 분자는 히드록실과는 완전히 다릅니다"라고 말한다.

수소와 산소가 풍부한 곳에는 물이 존재할 가능성이 높다. 수소와 산소가 물로 변하기 위해 필요한 요소는 에너지이다. 운석이 달에 충돌했을 때 강렬한 열이 발생해, 히드록실 분자가 결합하여 물로 변화했을 수도 있다. 이 과정에서 레골리스도 녹아 물 분자를 보관하는 글래스로 변했을 수도 있다. 또 다른 가설은 달과 충돌한 운석에 이미 물이 존재했으며, 충돌이 발생할 때 새로운 형태의 글래스에 보관됐을 가능성을 제기한다.

달의 궤도 탐사선 중에는 히드록실과 물의 차이를 분석하는 데 필요한 장비가 없다. 그러나 나사의 소피아 탐사선에는 전지기 스펙트럼의 오른쪽 영역을 관측해, 물의 흔적을 감지할 수 있는 장비가 탑재됐다. 호니볼 박사는 "지구의 대기에는 수증기가 풍부해, 신호를 모으기 위해 대기보다 훨씬 더 높은 영역으로 나아가야 했습니다. 이러한 가운데, 물의 흔적을 감지할 수 있는 모든 과정을 실행할 수 있는 유일한 탐사선이 소피아 탐사선임이 확인됐습니다"라고 말했다.

호니볼 박사가 달에서 물 분자를 발견한 것은 나사에게 희소식이다. 나사는 호흡이 가능한 공기나 로켓 연료 등과 같이 달에서 활용할 수 있는 물의 성분인 산소와 수소를 수집하려 하기 때문이다. 이러한 과정에서도 히드록실을 활용해야 하지만 달의 레골리스에서는 산소와 수소를 모으기 더 어렵다. 레골리스의 단단한 부분이 흙 알갱이로 덮여있기 때문이다. 레골리스에 물이 존재한다고 하더라도 실제로 활용할 수 있을 정도로 산소와 수소가 충분한지 확실하지 않다. 호니볼 박사는 "물의 양은 그렇게 많지 않은 것으로 보인다"라고 설명했다. 호니볼 박사 연구팀의 데이터에는 레골리스의 물의 농도가 약 100~400PPM으로 기록됐다. 이어, 호니볼 박사는 "달 탐사에 더 많은 정보를 활용하고 싶습니다. 이제, 저희 연구팀이 진짜 알고 싶은 것은 '달의 영역 중, 물이 존재하는 영역이 더 있는가'입니다"라고 밝혔다.

달의 표면에 존재하는 물 분자의 농도가 향후 우주비행사들이 활용하기에 적은 양이지만, 호니볼 박사 연구팀의 논문과 같은 날 발표된 또 다른 논문은 음영으로 뒤덮인 분화구에 이전에 알려진 것보다 더 많은 얼음이 존재할 가능성을 주장한다. 2018년, 인도 찬드라얀(Chandrayaan) 달 탐사선은 달의 남극에 존재하는 분화구의 넓은 음영 영역에 얼음이 존재한다는 사실을 확인했다. 최근 콜로라도대학교 볼더캠퍼스 소속 행성과학자 폴 헤인(Paul Hayne) 박사 연구팀이 달의 표면 전 영역에 걸쳐 작은 콜드 트랩이 다수 존재할 가능성을 발견했다. 이 덕분에 로봇 탐사선들과 우주비행사들이 달의 남극에 존재하는 분화구보다 더욱 수월하게 탐사할 수 있을 것으로 보인다.

헤인 박사 연구팀은 나사의 달 정찰 위성 LRO에서 제공된 데이터로 구성된 컴퓨터 모델을 활용해, 달에 소형 콜드 트랩이 수백억 개 존재할 가능성을 발견했다. 바로 작은 분화구 때문에 생성된 영구 음영지대이며, 그 표면의 크기는 불과 몇cm 밖에 되지 않는다. 그럼에도 불구하고 얼음을 보관할 수 있을 정도로 온도가 매우 낮다. 헤인 박사 연구팀의 모델은 실제 달에 얼음이 존재하는 영역이 기존에 알려진 것보다 약 2배 더 많다는 점을 시사한다. 헤인 박사는 "실제로는 우리가 보기 어려운 규모의 콜드 트랩이 달에 많다는 사실을 발견했습니다. 달의 표면에 서서 땅을 바라보면 주변에서 매우 작은 콜드 트랩을 수백 개 발견할 수 있을 정도로 매우 많습니다"라고 설명했다.

헤인 박사는 이전에 과학자들이 눈으로 볼 수 없을 정도로 매우 작기 때문에 이전에는 작은 콜드 트랩이 발견되지 못했다고 말한다. LRO에 탑재된 열 적외선 카메라로는 250m2 이상인 콜드 트랩만 발견할 수 있었다. 헤인 박사 연구팀은 LRO의 데이터를 활용해 달의 표면에 존재하는 모든 콜드 트랩의 모델을 생성했다. 그중에는 LRO로 발견하기에는 매우 작은 콜드 트랩 모델도 포함됐다. 헤인 박사 연구팀은 모델 생성 후, 예측 사항을 증명하기 위해 이미 발견된 커다란 콜드 트랩을 검증했다. 그러나 달의 표면에서 수집한 데이터에서 더 작은 콜드 트랩의 존재 예측이 필요하다는 사실이 발견됐다. 이 때, 더 작은 콜드 트랩이 발견되더라도 반드시 얼음이 존재한다는 뜻은 아니다.

나사는 2021년부터 무인 탐사선들을 달의 궤도에 발사하고 달 탐사를 시작할 계획이다. 내년부터 발사되는 탐사선에는 물을 찾을 수 있는 장비가 장착될 것이다. 그중에는 헤인 박사 연구팀이 개발한 장비도 있다. 해당 장비를 이용해 소형 콜드 트랩의 원위치에 대한 증거를 모으고 물의 존재 여부를 확인할 수 있다. 올해 초, 나사는 피츠버그의 우주 로봇 개발 기업 아스트로보틱(Astrobotic)을 달의 남극 주변에서 얼음을 찾을 수 있도록 특별 설계된 소형 자동 탐사선 개발 업체로 택했다.

마지막으로 인간이 달의 표면에 착륙한 후 50년 간 인간은 달에서 수많은 정보를 찾았다. 그러나 호니볼 박사 연구팀과 헤인 박사 연구팀의 연구 결과는 아직까지 달에서 발견해야 할 사항이 많다는 사실을 강조한다.

<기사원문>
There May Be Far More Water on the Moon Than NASA Thought