스페이스 클럽 화성 위성에서 첫 샘플을 반환하기: 일본의 대담한 화성 MMX 임무 과학 속

[발사대]

MMX는 붉은 행성 궤도에서 귀환하는 최초의 우주선이 될 수 있습니다.

화성에 있는 JAXA의 MMX 우주선을 예술가가 그린 콘셉트. (이미지 출처: JAXA)

편집자 주: 일본은 10월 19일 오후 3시 41분 EDT(1941 GMT)에 화성 위성 포보스로 대담한 MMX 샘플 반환 임무를 발사했습니다.
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일본의 화성 탐사 임무는 우주 비행 역사상 가장 야심찬 임무 중 하나입니다. 이 우주선은 화성 궤도에서 지구로 귀환하는 최초의 우주선이 되는 것을 목표로 하며, 붉은 행성계에서 최초로 샘플을 실을 것입니다.

이 임무는 화성 위성 탐사(MMX)로 알려져 있으며, 화성의 위성 포보스와 데이모스의 기원을 연구하는 최초의 시도입니다. 이 강력한 사업에는 포보스 착륙을 통해 샘플을 수집하는 것(화성계에서 지구로 돌아오는 첫 샘플이 될 가능성이 높다)과 수십억 년 전 태양계 형성 당시 사건에 대한 통찰을 제공할 수 있는 증거 탐색이 포함된다.

MMX는 10월 19일 월요일 오후 3시 41분 EDT(1941 GMT; 일본 현지 시간 오전 4시 41분, 10월 20일 오전 4시 41분)에 일본 다네가시마 우주센터에서 H3 로켓으로 발사되었다. 화성에 도달하기 위해 10개월간의 여정을 마친 후, 우주선은 약 3년간 포보스를 연구하고, 로버를 배치한 뒤 샘플을 채취하기 위해 착륙할 예정입니다. 임무는 이후 데이모스로 집중하여 일련의 플라이바이 임무를 수행한 후 2030년 11월 지구로 출발할 예정입니다. 모든 것이 계획대로 진행된다면, MMX 샘플-리턴 캡슐은 2031년에 호주에 착륙할 예정입니다.

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우주선

MMX 우주선은 세 개의 주요 부품과 소형 로버로 구성되어 있습니다. H3 발사체에서 분리된 후, 추진 모듈이 MMX를 화성으로 향하는 경로를 제공할 것입니다. MMX의 주 탐사 모듈에는 마이크로파 크기의 IDEFIX 로버와 대부분의 과학 장비가 탑재되어 있으며, 귀환 모듈에는 샘플-반환 캡슐이 들어 있습니다.

일본의 미쓰비시 전기는 MMX의 세 가지 주요 모듈을 제작했으며, 프랑스 우주국 CNES(국립우주연구센터)와 독일의 DLR(독일 Luft-und Raumfahrt 중앙 센터)이 공동으로 IDEFIX를 개발했습니다. 이 작은 로버는 1960년대 프랑스 만화 '아스테릭스'에 나오는 개 이름에서 따왔으며, 이는 1965년에 발사된 프랑스 최초의 위성 아스테릭스를 기리기 위한 것이다.

IDEFIX는 카메라 세트와 함께 MMX용 라만 분광기(RAX) 및 미니어처화 복사계(miniRAD) 기기를 탑재하여 포보스의 표면 조성과 온도를 분석합니다.

추진 모듈(왼쪽)과 탐사 및 귀환 모듈(오른쪽)은 일본의 화성 위성 탐사(MMX) 우주선을 구성하며, 2026년 8월 13일 가고시마현 미나미타네에 위치한 다네가시마 우주센터에서 촬영되고 있습니다. (이미지 출처: 야마자키 유이치 / AFP 게티 이미지 제공)

MMX의 대부분의 과학 장비는 탐사 모듈에 탑재되어 있으며, NASA의 감마선 및 중성자 탐사(MEGANE, 발음: "메-가-네이") 장치, 존스 홉킨스 응용물리학 연구소(APL)에서 제작한 감마선 및 중성자 분광기, 프랑스의 MIRS(MMX 적외선 분광기) 기기가 있습니다.

탐사 모듈에는 일본에서 제작한 TENGOO(지질상학용 텔레스코픽 나디르 이미저) 타이트 줌 카메라, 광각 OROCHI(크로매틱 이미저로 구성된 광학 방사도계) 다중분광 카메라, 레이저 고도계(LIDAR), 질량 스펙트럼 분석기(MSA)도 탑재되어 있습니다. 한편 귀환 모듈에는 일본의 화성 주변 먼지 모니터(CMDM)와 행성간 방사선 환경 모니터(IREM)가 탑재되어 있습니다.

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MMX는 2027년 8월 화성 궤도에 도착할 예정이며, 이때 추진 모듈을 분리하고 포보스 주위를 한 준위성 궤도(QSO)로 전환하여 탐사선이 소행성 크기의 작은 위성과 일종의 편대를 이루어 붉은 행성을 돌 수 있게 됩니다.

우주선은 화성 시스템에서 처음 몇 달간 TENGOO와 OROCHI 카메라, LIDAR, MSA를 사용해 포보스를 다양한 고도에서 관측하며 위성 표면을 지도화하고, 구성 연구하며, 잠재적 착륙지를 선정할 예정입니다.

IDEFIX는 2028년 말 또는 2029년 초, 두 차례의 MMX 착륙 리허설 중 첫 번째에서 포보스 약 130피트(40미터) 상공에서 발사될 예정입니다. 14마일(22킬로미터) 너비의 위성은 매우 낮은 중력을 가지고 있어, 로버는 몇 차례 튕긴 후 손상 없이 지표면으로 자유 낙하할 수 있을 것입니다(희망컨대). 그리고 지형과 표면 상태에 대한 데이터를 수집하기 위해 탐사를 시작할 것입니다.

포보스 표면에 IDEFIX를 그린 아티스트들의 렌더링. (이미지 출처: CNES/DLR/JAXA (아스테릭스® 오벨릭스® 이데픽스® © 안네 LES EDITIONS ALBERT RENE / GOSCINNY-UDERZO))

MMX 샘플 수집은 빠르면 2028년 12월부터 시작할 수 있다고 NASA 행성과학부 임시 국장 린지 헤이스가 10월 15일 임무 브리핑에서 밝혔습니다. 우주선은 두 차례의 수집 착륙을 시도하며, 탐사 모듈과 귀환 모듈이 하나의 우주선으로 하강 및 궤도 복귀를 수행합니다.

포보스 표면에서는 두 가지 서로 다른 샘플링 메커니즘인 코어러 샘플링 메커니즘(C-샘플러)과 공압 샘플링 메커니즘(P-샘플러)이 최소 10그램(0.35온스)의 물질을 추출하여 우주선 귀환 캡슐 안에 보관할 수 있으며, 이후 MMX가 다시 궤도로 이륙하기 전에 보관할 예정입니다. 첫 착륙과 샘플 수집 후 MMX는 포보스 근처 QSO로 복귀한 뒤 유사한 착륙 시도를 위해 두 번째 착륙장으로 하강하고 이후 궤도 복귀를 진행할 예정입니다.

화성 궤도 진입 중 JAXA의 MMX 우주선을 예술가가 그린 콘셉트. (이미지 출처: JAXA)

MMX는 약 3년간 화성 위성에 집중한 포보스 관측을 종료하고, 2030년에 화성 주위를 더 높고 공명 궤도로 전환할 예정입니다. 이 경로는 데이모스의 경로를 반복적으로 교차시켜 일련의 플라이바이를 수행하여 포보스 관측 데이터와 비교할 예정이며, 과학자들은 위성들의 기원을 조사하는 데 목적이 있다.

2030년 말경, 탐사 모듈이 분리되면서 귀환 모듈은 화성의 중력에서 엔진을 점화하고 수집된 샘플을 가지고 8개월간의 지구 귀환 여정을 시작합니다. MMX가 2031년 지구에 접근하며 마지막 공허 구간을 닫으면서, 샘플 반환 캡슐은 분리되어 대기권에 진입해 호주 우메라 지역에서 목표 낙하산 착륙을 실시할 예정이며, 그곳에서 내용물을 회수하여 일본과 임무 파트너들이 실험실 분석을 수행할 예정입니다.

포보스와 데이모스

이 샘플들과 MMX가 수집한 데이터는 과학자들에게 위성들의 구성, 지리, 그리고 아마도 가장 중요한 것은 위성들이 처음 어떻게 존재하게 되었는지에 대해 많은 것을 알려줄 수 있습니다. 포보스와 데이모스의 기원에 대해서는 두 가지 주요 이론이 있는데, 둘 다 고대 화성 역사의 매우 다른 버전을 가리킵니다.

"포보스와 데이모스는 흥미롭지만, 그들만의 독특한 매력만은 아니야. 이들의 존재는 화성계의 더 큰 이야기에서 핵심적인 부분입니다."라고 NASA 행성 과학 부서의 MMX 프로그램 임원이자 과학자인 톰 스타틀러가 10월 15일 임무 브리핑에서 말했다. "위성의 기원을 밝혀내면, 화성과 지구의 역사, 특히 수십억 년 전 두 행성을 형성하고 오늘날 우리가 보는 세계를 만든 사건들에 대한 새로운 통찰을 얻을 수 있을 것입니다."

포보스와 데이모스는 모두 비교적 작고 불규칙한 형태를 띠고 있으며, 약 46억 년 전 태양계 형성 시기의 물질을 보존한 것으로 여겨지는 원시 D형 소행성과 여러 유사점과 스펙트럼 특성을 지니고 있습니다. 이러한 유사성은 포보스와 데이모스가 태양계 내 다른 곳에서 형성되었으나 나중에 화성의 중력에 의해 포획되었을 가능성을 시사합니다.

포보스는 화성의 두 작은 위성 중 더 큰 위성으로, 수천 년에 걸친 작은 충돌의 흔적을 지니고 있다. (이미지 출처: NASA/JPL-캘텍/애리조나 대학교)

하지만 이들의 거의 원형에 가까운 적도 정렬 궤도는 붉은 행성 주위를 공전하기 때문에 이 이론이 다소 복잡해집니다. 예를 들어, 포획된 소행성은 원래 접근했던 방향과 속도와 비슷한 길고 기울어진 궤도에 진입했을 가능성이 훨씬 높다고 과학자들은 말합니다. 따라서 경쟁하는 가설이 위성들의 기원에 대해 훨씬 더 격렬하지만 다소 익숙한 서사를 제시한다.

고대 화성과의 거대한 충돌은 물질을 궤도로 폭발시켜 잔해 원반을 형성했고, 그 위성은 결국 두 위성이 합쳐졌을 수 있습니다. 이러한 과정은 지구의 달 형성과 유사하며, 이들의 원형 적도 궤도를 설명할 수 있다.

지금까지 수집된 포보스와 데이모스의 상반된 지질학적·궤도 관측 결과로 인해 과학자들은 한 가설을 확정하지 못했다. MMX는 답을 제공하는 것을 목표로 합니다.

NASA의 화성 정찰 궤도선이 촬영한 이미지에 따르면, 데이모스 표면은 대부분 매끄럽고, 최근 충돌 분화구만 남아 있습니다. (이미지 출처: NASA/JPL/애리조나 대학교)

"완전히 다른 두 가지 증거가 서로 다른 방향을 가리키고 있어. 그게 바로 흥미로운 퍼즐이죠," 스태틀러가 말했다. 그는 이 둘을 결합한 하이브리드 시나리오에 대한 여러 이론도 제시되었다고 덧붙였다.

"이 두 가지 기본 시나리오에는 다양한 방법과 조합이 있습니다," 스태틀러가 설명했다. "하지만 그게 바로 처음부터 퍼즐이야, 겉보기에는 모순되는 두 가지 증거들이 우리에게 ... 진짜 역사는 있었지만, 아직 그게 무엇인지 알지 못했다."

과학

화성의 위성들이 어디서 왔는지에 대한 각 이론은 위성 표면의 화학 특성을 예측합니다. 포획된 소행성들은 태양계 내 다른 지역에서 유래한 물질의 화학 신호를 보존할 것으로 추정되며, 이는 수소와 같은 휘발성 원소가 풍부할 가능성이 있습니다. 그러나 행성 충돌로 형성된 위성들은 화성과 충돌 물질이 혼합되어 있으며, 이처럼 격렬한 충돌의 열로 인해 변형됩니다.

어느 시나리오가 더 가능성이 높은지 판단하면 화성이 대규모 위성 형성 충돌을 경험했는지, 아니면 초기 태양계 다른 곳에서 위성을 획득했는지 알 수 있습니다. 임무 팀원들은 어느 쪽이든 지구의 진화와 수십억 년 전 지구 같은 지구 행성을 형성한 사건들에 대한 새로운 통찰을 제공할 수 있다고 말합니다.

"현재로서는 포보스의 구성에 대해 아무것도 알지 못합니다."라고 APL의 메간(MEGANE) 수석 연구원 데이비드 로렌스(David Lawrence)는 10월 15일 브리핑에서 말했습니다. "광물학에 관한 정보는 있지만, 원소 조성에 대해서는 알 수 없습니다. 그래서 요소는 이러한 기초 질문들에 접근하는 데 정말 중요한 방법입니다."

MMX의 과학 장비는 이러한 판단을 내릴 수 있도록 신중하게 조정되었습니다. MMX 탐사 모듈의 TENGOO, OROCHI, LIDAR 기기에 탑재된 카메라와 센서는 포보스의 지형, 지질학적 특징, 궤도에서 표면 물질의 변화를 지도화하여 달의 형성과 진화에 대한 단서를 제공할 것입니다. 이러한 측정을 보완하는 MIRS는 포보스의 표면 광물을 탐지하고 분류하며, 유기 화합물을 탐색하여 소행성 또는 고대 화성 조각의 기원을 더욱 구분하도록 설계되었습니다.

IDEFIX에 탑재된 RAX 분광기와 miniRAD 기기는 표면 광물학과 그 열적 특성을 가까이서 관찰함으로써 국지적 맥락을 더할 것입니다.

궤도에 돌아온 NASA의 MEGANE 기기는 감마선 및 중성자 분광법을 통해 포보스의 원소 조성을 측정할 예정이며, 이 분광법은 달 표면 아래 수십 센티미터까지 휘발성 원소의 흔적을 스캔할 수 있습니다. 예를 들어, 수소, 염소, 나트륨, 칼륨의 함량이 높으면 소행성 포획 가설에 유리할 수 있고, 이들 화합물의 함량이 낮으면 행성 충돌과 관련된 열과 화학적 열악화를 시사할 수 있습니다.

"일본어로 '메가네'는 안경을 뜻해요," 로렌스가 말했다. "그래서 우리는 메간을 감마선과 중성자 안경으로 포보스를 관찰하는 도구로 생각하고 싶어."

현미경 아래 있는 화성 운석과 손 표본. (이미지 출처: 오픈 대학교, CC BY-NC-SA)

MMX가 지구로 돌아올 샘플과 비교할 때, MEGANE의 발견은 포보스에서 발견되는 휘발성 고갈이 충돌 후 형성물의 강한 열을 반영하는지, 아니면 우주 노출의 자연적 영향으로 인한 수십억 년간의 침식을 반영하는지 과학자들이 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.

한편 MSA는 포보스 주변의 하전 입자를 측정하여 지하 얼음의 증거를 찾고 태양풍 노출이 달 표면에 어떤 변화를 주었는지 조사할 예정입니다. 또한 화성에서 탈출하는 대기 입자도 연구할 예정입니다. CMDM은 화성 주변의 먼지를 측정할 예정이며, 충돌로 인해 위성에서 방출될 수 있는 입자도 포함됩니다.

MMX가 포보스를 마지막으로 떠난 후 데이모스에 대한 비교 관측은 두 위성들이 유사한 조성을 공유하는지, 그리고 잠재적으로 공통의 기원을 가졌는지 확인하는 데 도움이 될 것입니다.

안전하게 지구로 귀환한 후, 포보스 샘플의 실험실 분석을 통해 과학자들은 MMX의 탑재 기기보다 훨씬 정밀하게 화학 조성과 광물학을 조사할 수 있을 것입니다. 원소 구성의 미묘한 차이를 측정하는 동위원소 분석과 같은 검사는 화학적 지문과 화성 암석 및 소행성 물질의 지문을 비교하여 샘플의 기원을 규명하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

JAXA(일본우주항공연구개발기구) 과학자들은 일부 반환된 물질이 고대 소행성 충돌로 인해 화성 표면에서 암석이 떨어져 나간 후 화성 자체에서 유래했을 가능성이 있다고 보고 있으며, 이는 화성의 지질학적 과거를 증명할 수 있는 증거일 수 있다고 보고 있습니다.

지구, 화성, 소행성 간 산소 차이를 보여주는 산소 동위원소 그래프. 만약 포보스가 정말 화성의 고대 조각을 대표한다면, 화성 물질 중 가장 원시적인 것일 수 있습니다. (이미지 출처: 오픈 대학교, CC BY-NC-SA)국제적 노력

JAXA 주도의 이 임무는 NASA 및 유럽우주국(ESA)과의 기관 간 파트너십을 대표하며, 이들은 딥 스페이스 네트워크와 에스트트랙 네트워크를 통해 하드웨어 및 통신 지원을 제공하고 있습니다.

NASA의 MMX에 대한 기여에는 허니비 로보틱스가 제작한 P-샘플러인 메가네(MEGANE)와 임무 종료 시점까지 약 8,700만 달러의 투자가 포함됩니다. NASA는 MMX 팀의 미국 과학자들을 지원하고 있으며, 이들은 NASA의 천체물질 전문가들과 함께 "포보스 샘플이 지구에 전달될 때 "조사 및 과학적 분석에 전적으로 참여할 것"이라고 헤이스는 임무 브리핑에서 말했다. "우리는 전체 임무에 자금을 지원하는 것보다 더 낮은 비용으로 모든 가치와 과학적 참여를 얻을 수 있습니다."

NASA는 임무를 위해 반환된 샘플의 최소 15%를 받으며, 자료는 휴스턴에 위치한 존슨 우주센터에서 분석 및 장기 보존을 위해 보관됩니다. 이를 위해 MMX의 과학적 영향력은 임무 종료를 훨씬 넘어설 수 있습니다.

"포보스 샘플은 역사적인 기록이 될 것이며," 스태틀러는 "앞으로 우리가 아직 어떻게 물어야 할지 모르는 질문에 답할 잠재력이 있다"고 말했다.

스페이스 클럽(Space Club)