Water on the moon should be more accessible than we thought

달에는 물이 있다 . 생각보다 더 가까이

달 표면에 얼음이 있다는 사실이 밝혀졌다. 인간의 달 이주에 도움이 될 수 있다.

혹시 아직 모르고 있었다면, 그렇다, 달에도 물이 있다. 미국 항공우주국(NASA)에 따르면 달에는 최대 6억 톤에 달하는 얼음이 있다. 이 얼음은 언젠가 인류가 달에 이주할 때 생존에 도움이 될 수 있다. 심지어 저렴한 로켓 연료가 될 수도 있다 (물을 산소와 수소로 분리하면, 짠, 우주 비행을 위한 추진력을 얻을 수 있다).
안타깝게도 우리는 달에 실제로 얼마나 많은 물이 있는지, 정확히 어디에 있는지, 어떻게 접근하여 거둬들이는지 알지 못했다. 애초에 물이 어떻게 거기에 생겼는지도 이해하지 못했다.

우리는 여전히 이러한 질문에 대한 답을 모른다. 하지만 ‘네이처 애스트로노미’(Nature Astronomy) 최근 호에 실린 두 건의 새로운 연구에 따르면 달의 물은 지금까지 생각했던 것처럼 깊이 숨겨져 있지는 않다.

유리 구슬 안의 물

첫 번째 연구는 NASA와 독일 항공우주센터가 운영하는 성층권적외선천문대(SOFIA, Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy)의 관측에 기반해, 231km 길이의 클라비우스 크레이터(Clavius crater) 근처의 햇빛에 노출된 달 표면에서 물 분자가 탐지되었다고 보고했다. 그간 과학자들은 달 중에서 영구적으로 그림자에 덮여있는 큰 크레이터와 같은 지역에 물이 안정적으로 존재할 가능성이 높다고 생각해 왔다. 이러한 지역에서라야 물이 뜨거운 태양 빛의 영향에서 보호받을 수 있기 때문이다.

하지만 생각과 달리 환하게 햇빛이 내리쬐는 지역에 물이 있었다. NASA 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center) 연구원이자 SOFIA 논문의 주 저자인 케이시 호니볼(Casey Honniball)은 “물 분자가 달 표면에 존재함을 확실히 확인한 것은 이번이 처음이다”라고 말했다.

SOFIA 관측에 따르면, 물 분자는 유리 구슬과 같은 구조에 결합되어 있어 햇빛에 노출되어도 견딜 수 있다. 이 유리 구슬에 포함된 물의 양은 달 표면에 분포한 토양 1m3에 12온스(약 340g)의 물이 있는 것과 비슷한 양이다. 호니볼은 “극 지방에 가까워질수록 물의 양이 늘어나리라 예상했지만, SOFIA 관측 결과는 반대였다”라고 말했다. 물이 포함된 구슬은 적도 근처 지역에서 발견되었다. 비록 이것이 달 전체에 해당하는 현상은 아닐 것으로 보고 있기는 하지만 말이다.

SOFIA는 747 비행기를 개조해 만든 공중 천문대이다. 여기에 설치된 직경 9피트(약 2.7m) 망원경은 습기가 많은 지구 대기의 영향을 최소화하면서 우주를 관측할 수 있다. 이것은 적외선 파장 관찰에 특히 유용하며, 이번 연구에서는 연구진이 달의 수산기 화합물과 물 분자를 구별하는 데 기여했다.

유리 같은 물의 존재는 1969년 실시된 달 광물 조사에서 발견되었다. 풍선형 천문대의 관측 성과이다. 그러나 이 발견은 보고되거나 논문으로 발표되지 않았다. 호니볼은 “아마도 이것이 얼마나 큰 발견인지 몰랐던 것 같다”라고 말했다.

유리 구슬 구조에 포함된 물의 양은 유용하게 활용하기에는 약간 적은 양이지만, 달의 다른 지역에서는 물의 밀도가 훨씬 더 높을 수 있다. (이번 SOFIA 연구는 달의 한 지역만 관측했다).

더 중요한 것은 이 발견이 달에 있는 물 저장지를 보충할 수 있는 ‘달에서의 물 순환’(lunar water cycle)의 가능성을 보여준다는 점이다. 달이 오래 동안 메마른 죽음의 땅으로 여겨졌다는 사실에 비추어보면 받아들이기 힘든 일이기는 하다. 노트르담대학(University of Notre Dame) 지질학과 클라이브 닐(Clive Neal) 교수는 “이는 지금까지 자세히 연구된 적이 없는 새로운 영역”이라고 말한다. 닐 교수는 두 연구에 모두 관여하지 않았다.

가장 작은 그림자

두 번째 연구는 NASA의 임박한 달 탐사 계획에 보다 유용할 수 있다. 이 연구의 새로운 발견에 따르면, 달의 물은 직경 1㎝ 이하의 작고 차가운 덫(micro cold trap) 안에 저장되어 있을 수 있다. NASA의 달 탐사선(Lunar Reconnaissance Orbiter)가 촬영한 적외선 및 광학 이미지를 바탕으로 생성한 3D 모델은 이 같은 작은 덫의 온도가 얼음을 안전하게 보존할 수 있을 정도로 낮다는 사실을 보여준다. 이 덫에 보관된 물은 달에서 상시적으로 그림자에 덮여 있는 지역에 보존된 물의 10-20%를 차지한다. 이 그림자 지역은 대략 4만㎢에 이르고, 대부분 극지 근처에 있다.

이 논문의 주저자이자, 콜로라도주립 불더 대학(University of Colorado, Boulder)에서 행성을 연구하는 폴 헤인즈(Paul Haynes)는 “’이름이 붙어 있는 잘 알려진 크레이터’ 안에 몇 개의 큰 덫이 있는 것이 아니라 극 지방 전체에 작은 덫이 은하수처럼 펼쳐져 있다”라고 말했다. 그는 “이 작은 덫들은 보다 크고 항상 그림자에 덮여 있는 지역보다 훨씬 접근하기 쉽다. 우주 비행사와 탐사선은 그림자 지역의 어둠 속으로 깊숙이 들어가는 대신 밝은 햇빛 아래에서 덫의 물을 추출할 수 있다”고 말했다. 이런 곳이 달 표면에 수억 또는 수십억 개 흩어져 있을 수 있다.

데이터가 축적될수록 늘어나는 미스터리

이 연구들이 완벽한 것은 아니다. 물을 함유한 유리가 어떻게 형성되었는지 명확한 설명은 아직 없다. 호니볼은 운석이 달과 충돌하며 물이 생겼거나 운석에서 물이 전달되었을 가능성이 있다고 본다. 고대 화산 활동의 결과일 수도 있다. 닐은 SOFIA의 관측 결과가 왜 유리 구슬의 분포가 위도의 함수로 나타나는지, 이 분포가 달의 전체 주기 동안 어떻게 변화할 지에 대한 완전한 그림을 제공하지는 못한다는 사실을 지적한다. 두 연구가 제시하는 내용을 확인하고, 연구가 제기하는 질문에 답하기 위해서는 직접적인 관찰이 필요하다.

그 데이터를 오래 기다릴 필요는 없을 지도 모른다. 우주인을 다시 한번 달에 보내는 아르테미스 미션 (Artenis missions)을 앞두고 NASA는 달의 얼음의 특징을 파악하는데 도움이 될 일련의 로봇 미션을 실시할 계획이다. 이중 가장 주목받는 것은 탐사 차량 바이퍼(VIPER)이다. 바이퍼는 2022년 투입되어 지표 아래의 얼음을 탐사할 예정이다.

이 두 가지 새 연구 성과를 반영해 NASA가 바이퍼의 목표를 일부 수정할 수도 있다. 지표의 물도 함께 연구하고, 태양이 비치는 지역의 유리 특성을 자세히 살펴보거나 작고 차가운 덫이 물을 얼마나 잘 보존하는지 등을 조사할 수 있다. NASA의 다른 장비와 다른 국가들의 우주 탐사 임무를 통해 지표면의 물에 대해 더 면밀히 연구할 가능성도 있다. 닐은 달의 외기권 관측 시스템이 달에 있는 물의 역사를 밝히고 달의 물 순환이 어떻게 지표에 안정적인 (또는 불안정한) 물의 존재를 가능케 했는지 밝히는데 매우 유용할 것으로 생각한다.

닐은 “달에 대해 더 연구할수록 모르는 것이 더 늘어난다”라며 “이제 우리는 달에 다시 가서 연구해야 할 이유가 더 생겼다. 우리는 달에 가서 지표에서 샘플을 얻고 관측소를 설치해 이런 새로운 현상에 대한 데이터를 확보해야 한다”고 말했다.

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