달 남극에서 '물 분자' 확인

달 탐사 탄력받을 듯

달의 남극(왼쪽)과 북극에서 얼음이 존재할 것으로 추정되는 지역들이다. 지금까지는 성분을 확인할 수 없어 추정에 그쳐 왔지만 적외선 관측을 통해 물 분자가 확실히 존재하는 것이 밝혀졌다. 미국항공우주국(NASA) 제공

달의 남극에 물이 존재하는 것이 확인됐다. 이전에는 물 성분이 존재하는 것까진 확인됐지만 물 분자(H₂O)가 확인된 적은 처음이다. 이번 발견으로 달 탐사 과정에서 활용할 수 있는 물의 존재 여부가 확실해주면서 각국이 준비중인 달 탐사 또한 탄력을 받을 것으로 보인다. 미국항공우주국(NASA)은 발표에 앞서 ‘달에 관한 흥미로운 새 발견’을 예고하며 이번 발견을 이례적으로 홍보해왔다.

케이시 호니볼 미국항공우주국(NASA) 고다드우주비행센터 박사후연구원 연구팀은 달의 남극 표면에 약 100~400PPM(100만 분의 1) 농도의 물이 존재한다는 연구결과를 이달 27일 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 발표했다.

달 표면은 얼음이나 액체 상태의 물이 존재할 수 없다. 햇볕에 노출되면 온도가 130도 이상으로 올라 수증기가 돼 우주 공간으로 증발하기 때문이다. 하지만 달의 남극은 다르다. 달의 남극 표면 충돌구에는 햇빛이 전혀 들지 않아 온도가 영하 180도 이하로 떨어지는 ‘영구음영지대’가 존재해 얼음을 저장할 수 있다. 때문에 과학자들은 이 지역에 물이 존재할 것으로 추정해 왔다. NASA는 2009년 엘크로스(LCROSS) 탐사선을 달 남극에 충돌시켜 물 성분이 존재하는 것을 확인하기도 했다.

하지만 이것이 실제 물인지, 아니면 다른 물질인지는 명확하지 않았다. 물은 적외선을 이용해 검출할 수 있는데 지금까지는 3마이크로미터(㎛·100만분의 1m) 파장대만 써 왔다. 이 파장에서는 물 분자와 광물에 결합한 하이드록시기(-OH)를 분간할 수 없었다. 수소와 산소가 존재하지만, 물이 아니라 광물에 붙어있는 성분이라면 달 탐사시 이를 이용하기 위해 다른 기기들이 필요하게 된다.

NASA가 보잉 747 항공기를 개조해 만든 성층권적외선천문대(SOFIA)의 모습이다. NASA 제공

연구팀은 NASA가 보잉 747 항공기를 개조해 운영하는 성층권적외선천문대(SOFIA)를 활용해 물 분자의 유무를 정확히 가릴 수 있는 6㎛ 파장 적외선으로 달을 관측했다. SOFIA는 우주 관측에 방해가 되는 대기를 피해 11.6km 상공에서 비행하며 2.7m 구경 적외선망원경으로 태양계와 우주 물체를 볼 수 있다.

분석 결과 달의 남쪽 고위도 지역 일부에서 물 분자 형태의 물이 약 100~400 PPM 농도로 존재하는 것이 확인됐다. 달 남극 지역 중 적어도 토양 중 1만 분의 1이 물로 구성된 곳이 있다는 것이다. 연구팀은 물 존재 여부는 주변 지형에 따라 달라지며 전 지역에 나타나는 현상은 아니라고 분석했다. 이러한 물은 유리화된 토양이나 자갈들 사이에 존재해 달의 척박한 환경에서도 남아있는 것으로 추정됐다.

달의 북극과 남극에는 물이 얼음 형태로 남아있을 수 있는 장소도 다수인 것으로 분석됐다. 폴 하이네 미국 콜로라도대 대기 및 우주물리학연구소 교수팀은 달의 북극과 남극에 얼음 저수지 역할을 할 수 있는 ‘영구음영지대’가 축구장 면적의 6배 정도인 약 4만 제곱미터라고 같은 날 네이처 천문학에 발표했다. 과거에는 이 공간이 약 2만 제곱미터로 추정됐다. 연구팀은 10원짜리 동전만 한 면적의 분화구까지 모두 측정해 물 저장이 가능한 면적이 북극과 남극에 걸쳐 실제로는 2배 많음을 밝혀냈다.

달 남극에 물이 있다는 것이 명확해지면서 각국의 달 남극 탐사도 추진력을 얻을 것으로 보인다. 달의 남극은 적도에 비해 표면이 고르지 못하고 통신이 어려워 탐사가 어렵다. 하지만 생명체에 필요하고 탐사에도 활용할 수 있는 물의 존재 때문에 각국은 달 남극을 탐사 목표로 지정해 왔다. 미국은 2024년까지 달에 유인 우주선을 보내는 ‘아르테미스 계획’을 발표하고 달의 남극을 착륙점으로 지정했다. 중국도 2024년 달 탐사선 ‘창어 7호’를 달의 남극에 보내기로 한 상태다.

NASA는 이달 22일 이례적으로 ‘달에 대한 흥미로운 새로운 발견을 발표할 예정’이라며 이번 연구 성과 발표를 예고해 왔다. NASA는 “이번 새로운 발견은 우주 탐사를 지원하기 위해 달에 대해 배우려는 NASA의 노력에 기여한다”며 “NASA는 2030년 화성 탐사에 대비하기 위해 2024년 최초의 여성과 다음 남성을 달 표면에 보낼 것”이라고 밝혔다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]