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워프 드라이브에서 성간 우주선까지,
인류를 태양계 밖으로 데려다줄 우주과학의 모든 것을 이야기하다!
NASA 첫 행성간 항해 우주 임무를 맡은 수석 연구원이 말하는 성간 여행의 미래

100년 우주선, 브레이크스루 스타샷, 그리고 스페이스엑스와 블루 오리진 같은 민간 우주기업이 추진하는 계획들이 우주여행에 대한 구상을 발전시키면서, 태양계 바깥의 먼 우주로 모험을 떠나는 인류의 오랜 꿈이 현실이 될 날도 머지않았다. NASA 첫 행성간 항해 우주 임무인 ‘Near-Earth Asteroid Scout and Solar Cruiser’의 수석 연구원이었던 레스 존슨은 책 《별을 향해 떠나는 여행자를 위한 안내서》(원제: A Traveler's Guide to the Stars)에서 이러한 인류의 꿈을 실현시켜 줄 우주과학 기술의 과거와 현재와 미래를 살펴보면서 우주 탐사의 비전을 제시한다.
최근에 발견된 외계행성들과 그 발견을 가능하게 한 과학, 우주 탐사가 인류에게 갖는 의미와 거기에 드는 현실적인 노력, 결코 간과할 수 없는 윤리의 문제를 다룰 뿐만 아니라, 〈스타워즈〉 같은 SF에 나오는 과학기술의 실현성을 따져보기도 한다. 그리고 이 모든 흥미진진한 이야기를 통해, 지구의 생명체를 태양계 밖으로 데려가는 첫걸음이 되고자 한다. 국립과천과학관 천문우주전시 팀장과 서대문자연사박물관 관장을 역임한 천문학자 이강환 박사가 번역 및 감수를 하고 최신 천문 정보에 의거해 주석을 달았다.

수천 개의 외계행성이 발견된 지금, 인류는 과연 다른 별에 갈 수 있을까?
우주선을 타고 태양계 바깥으로 향할 때 준비해야 할 모든 것

다양한 기술의 발전과 허블 우주망원경, 제임스 웹 우주망원경 등 엄청난 성능의 망원경을 통해 수천 개의 외계행성이 발견되었고 지금도 계속 발견되고 있다. NASA 외계행성 탐사 웹사이트에 따르면 2022년에 확인된 외계행성은 4,000개가 넘고, 추가로 5,000개 이상의 행성이 독립적인 확인을 기다리고 있다. 그렇다면 인류는 언제쯤 그곳에 가볼 수 있을까? 이러한 의문에 저자 레스 존슨은 이렇게 답한다. “이 질문에 대한 답은 특정 날짜나 날짜 범위를 지정할 수 있는 차원이 아니다. 적어도 아직은 아니다.”(24쪽)
태양계에서 가장 가까운 항성계인 알파 센타우리의 별들은 지구에서 4.35광년 떨어져 있다. 빛이 약 초속 30만 킬로미터로 이동하고, 태양빛이 지구에 닿을 때까지 8분이 걸린다고 하면, 4.35광년이라는 거리가 얼마나 어마어마한지 와닿을 것이다. 그리고 이렇게 먼 거리를 이동하는 일에는 수많은 사항이 고려되어야 한다. 작은 물병 하나를 우주로 쏘아 올리는 데 5만 달러가 들 만큼 막대한 비용은 물론이고, 우주선을 그 먼 곳까지 이동시키는 데 드는 힘(추진), 지구와의 통신 문제, 우주선 안에서 기나긴 시간을 보내야 하는 사람들의 신체적ㆍ심리적ㆍ사회적 문제 등, 저자는 우주 임무에서 맞닥뜨릴 수밖에 없는 현실적인 문제들을 하나하나 알기 쉽게 짚어준다.
먼저 제1장 ‘우리를 기다리는 우주’에서는 무한한 우주에 흩어져 있는 머나먼 별들과 행성들을 찾는 방법이 어떻게 발전해 왔는지 설명한다. 최초의 외계행성은 펄서(일정 주기로 전파를 방사하는 중성자별)가 방출하는 전파의 미세한 변화를 관측함으로써 발견되었고, 이후 행성이 별의 움직임에 간섭하여 만들어지는 ‘도플러 이동’이나 ‘식현상’을 이용한 방법 등 다양한 수단들이 고안되었다. 제2장 ‘성간 여행의 선구자들’에서는 수백 킬로미터를 가로질러 우주선을 하늘로 쏘아 올린 로켓 개발의 역사를 이야기한다. 1957년 구소련이 세계 최초의 궤도 위성인 ‘스푸트니크 1호’를 발사하기 전에도 수백 번의 로켓 발사가 있었고, 미국과 소련이 주도한 이 시도들은 수많은 로켓 발사 전 단계 비행에 도움이 되었다.
제3장 ‘성간 여행을 맥락에 맞추기’에서는 우주 비행의 어려움과 여러 반대 의견에도 불구하고 인류가 다른 별을 탐사해야 하는 이유를 현실적이고도 미래지향적인 관점에서 설명하고 있으며, 제4장 ‘로봇을 보낼까, 사람을 보낼까, 아니면 둘 다?’에서는 무인 탐사와 유인 탐사의 차이, 우주선에 사람을 태울 때 고려해야 하는 사항들을 이야기한다.
제5장 ‘로켓으로 목적지에 도착하기’와 제6장 ‘빛으로 목적지에 도달하기’에서는 우주 임무의 시작이자 가장 어려운 단계인 ‘추진’ 문제를 다룬다. 사람이 타든 로봇이 타든, 우주선을 합리적인 시간 내에 다른 항성계로 보낼 수 없다면 아무 소용이 없다. 이 두 장에서는 각각 로켓을 통해 추진력을 만들어 내는 기술과 태양빛을 활용하는 기술에 대해 논의하고, 무엇이 가능하고 무엇이 가능하지 않은지 그 이유를 설명한다. 이 밖에 내부 동력 시스템에서 얻은 에너지를 광선으로 바꾸는 ‘광자 로켓’, 성간물질을 통과하면서 수소를 모으고 핵융합을 통해 에너지를 얻는 ‘버사드 램제트’, ‘반물질’을 이용한 추진, 핵폭탄을 터뜨려서 우주선을 쏘아 올린다는 발상의 ‘오리온 프로젝트’ 등 다양한 추진 방법이 소개된다.
제7장 ‘성간 우주선 설계하기’에서는 우주 임무의 목적에 따른 우주선의 규모와 기능, 종류에 대해 이야기하고, 긴 시간 동안 탑승자의 생명을 유지하는 방법과 필요한 자원을 얻는 방법에 대해 논의한다. 그리고 인류가 픽션(SF)을 통해 우주에 대해 상상해 온 것들이 과연 실현될 수 있는지를 제8장 ‘과학적 추측과 SF’에서 살펴본다.


인류는 지금 어디까지 왔을까?
그 모든 어려움에도 우리가 별을 향해 떠나야 하는 이유

1977년에 발사한 보이저 1호는 지구에서 태양까지의 거리인 약 1억5,000만km의 156배인 156AU(천문단위) 거리에 도달하는 데 44년 넘게 걸렸으며, 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리에 도착하는 데는 7만 년이 걸릴 것이다. 성간 여행이 실현 가능하려면 임무 기간이 수천, 수만 년 단위가 아니라 수년 단위가 되어야 한다. 이와 관련해서 인류는 현재 ‘카누’ 단계에 있다고 저자는 말한다. 맨몸으로 헤엄치는 것에서 시작해, 카누와 돛단배를 거쳐 지금의 원자력 동력 선박에 이르기까지 인류의 이동 수단 발전 과정에 비유했을 때 지금의 성간 이동 기술은 ‘카누’ 단계에 해당한다는 것이다.
우주과학의 낙관적인 전망에도 불구하고, 이처럼 외계행성 방문이라는 목표를 향한 진전은 생각보다 더디게 진행되었다. 노력이 부족했기 때문이 아니라 도전 과제가 만만치 않기 때문이다. 제5장과 6장에서 살펴본 추진 방법은 이론적으로는 가능하지만, 거기에 필요한 기술은 현재 인류의 능력을 뛰어넘는 수준이다. 즉 다른 별을 향하는 여행은 단기적인 시선으로 봐라봐서는 이룰 수 있는 일이 아니다.
그렇다면, 이렇게까지 해서 다른 별로 떠나야 할 이유는 뭘까? 거기에 드는 돈을 지구에 사는 사람들에게 쓰는 게 더 좋지 않을까? 인류는 이미 지구를 더럽혔는데 왜 다른 별까지 오염시키려 하는가? 물론 이런 질문들은 금방 답하기 어렵고 또 다른 긴 안목을 가져야 답할 수 있는 의문들이다. 성간 임무에는 새로운 기술뿐만 아니라, 과거의 실수를 반복하지 않게 해주는 새로운 윤리 체계, 지금 시작한 프로젝트가 앞으로 여러 세대에 걸쳐서도 완성되지 않을 수 있다는 마음가짐이 필요하다.

우주 분야에서 일하는 사람들의 급여를 제외하면, 과학과 탐사에 지출되는 돈은 정부나 사회에 즉각적인 금전적 투자 수익을 제공하지는 않지만, 매우 가치 있는 무형의 수익으로 돌아온다. (…) 우리 선조들이 과학을 위한 과학을 하지 않았다면 전기, 냉장, 항공 여행, 휴대폰, 컴퓨터 등은 없었을 것이다. 100년 전에 수행된 과학에 대한 투자 수익은 지금도 계속 발생하고 있다. 오늘날의 투자는 앞으로 100년 동안은 그 가치를 발휘하지 못할 수도 있다.(제3장 ‘성간 여행을 맥락에 맞추기’에서)

다른 별을 오염시킬 수 있다는 우려는 어느 정도 타당하지만, 달이나 공기가 없는 다른 천체의 경우 탐사와 정착을 해서는 안 될 설득력 있는 이유는 없다. 그곳은 생명체가 살 수 없는 세계이며 앞으로도 항상 그럴 것이다. 그렇기에 그곳에 생명체가 생존하고 번성할 수 있도록 온갖 노력을 기울여야 한다고 저자는 말한다. 그리고 다른 별로 떠나기 전, 인류는 먼저 태양 및 원자 에너지를 활용하는 진정한 행성 간 문명의 선량한 관리자가 되어야 한다.

월스트리트저널
“물리학자이자 NASA 기술자인 레스 존슨이 강조하는 것처럼 별들은 멀리 있기로 악명이 높다. 무엇이 우주선에 동력을 줄 것인가? 저자는 워프 드라이브와 초공간 같은 공상과학 옵션, 반물질 드라이브와 같은 잠재적으로 실현 가능한 옵션, 그리고 이온 드라이브, 태양 돛, 핵 펄스 추진과 같은 확실하게 가능한 방법을 흥미롭게 설명한다.”

데이비드 웨버(SF소설가)
“레스 존슨은 로켓 과학을 일반인도 이해할 수 있게 만드는 희귀한 작가다. 그는 현장에서 주어진 일 이상을 해냈으며, 성간 탐사라는 대의에 대한 그의 열정은 더욱 빛을 발한다. 그의 유머 감각과 인간성, 그리고 삶에 대한 열정도 마찬가지다. 매우 추천할 만한 책이다."

마틴 리스(천문학자, 《과학이 우리를 구원한다면》 저자)
“레스 존슨은 매혹적인 책을 썼다. 그는 우리를 환상적인 성간 항해로 이끌며, 그 과정에서 수많은 물리학과 공학 지식을 전한다.”

미치오 카쿠(이론물리학자, 《초공간》 《평행우주》 저자)
“레스 존슨은 즐겁고 매혹적이며 마음을 울리는 별을 향하는 여행으로 우리를 데려간다. 이 책은 인류의 궁극적인 운명에 관심이 있는 사람이라면 누구나 꼭 읽어야 할 별들(stars) 중 하나다.”

빌 나이(과학자, 행성협회 CEO)
“다른 별로의 여행은 얼마나 힘들까? 레스 존슨은 이 일에 필요한 로켓 과학을, 너무나 쉬운 설명과 함께 소개한다. 또한 성간 우주선, 메타물질, 첨단 추진 기술에 대해 아주 자세히 설명한다. 이는 진정 환상적인(out-of-this-world) 과학으로 뒷받침되는 상상의 비행이다.”

서문 / 용어 약자

들어가며
제1장ㆍ우리를 기다리는 우주
제2장ㆍ성간 여행의 선구자들
제3장ㆍ성간 여행을 맥락에 맞추기
제4장ㆍ로봇을 보낼까, 사람을 보낼까, 아니면 둘 다?
제5장ㆍ로켓으로 목적지에 도착하기
제6장ㆍ빛으로 목적지에 도달하기
제7장ㆍ성간 우주선 설계하기
제8장ㆍ과학적 추측과 SF
에필로그

감사의 글 / 그림 목록 / 용어 설명/ 주석 / 참고문헌 / 찾아보기

여정 중에 태어난 아이들은 어떻게 될까? 여행 시간이 인간의 일생보다 훨씬 길다면 여러 세대가 우주선에서 평생을 살게 될 수도 있다. 특히 지구의 광활한 바다와 푸른 하늘, 초록빛 땅에 대해 알게 된 뒤에는 새로운 세계에 정착하고 싶어 하지 않을 가능성도 얼마든지 있다. 그들에게 부모나 조부모의 꿈을 이루도록 강요하는 것이 과연 윤리적일까?(제4장 ‘로봇을 보낼까, 사람을 보낼까, 아니면 둘 다?’에서)

로켓이 운반할 수 있는 무게(추진제, 탑재체, 구조물 등)에는 한계가 있는데, 추진제를 더 추가하면 전체 무게가 증가하고 그러면 가속에 필요한 추진제도 증가하므로 더 많은 추진제가 필요하고, 이로 인해 무게가 더 늘어나는 식으로 반복되는 것이다. 이를 흔히 ‘로켓 방정식의 폭정’이라고 부르며, 이것이 바로 효율, 즉 ISP가 중요한 이유다.(제5장 ‘로켓으로 목적지에 도착하기’에서)

속도를 늦추고 멈추려면 처음 여행을 시작할 때 사용한 것과 같은 규모의 추진력이 필요하다. 빨라진 속도는 반드시 느려져야 하는데, 뉴턴은 그에 대한 에너지 투입량이 같아야 한다고 말한다. 이 때문에 로켓 방정식은 훨씬 더 폭정적으로 변한다. 우주선은 가속에 필요한 추진제뿐만 아니라 감속을 위해 적어도 그만큼 더 많은 추진제를 운반해야 하는데, 이는 처음에 우주선을 가속할 때 더 많은 추진제가 필요하다는 것을 의미한다. 그 ‘추가’ 감속 추진제도 임무를 시작할 때 가속되어야 하기 때문이다. 아아!(제6장 ‘빛으로 목적지에 도달하기’에서)

먼저, 흔히 세계 우주선이라고 불리는 유인 우주선이 어떤 모습일지에 대한 논의가 있다. (…) 첫 번째 범주의 우주선은 스프린터sprinter라고 불리며 1,000명 이하의 승무원을 태울 수 있다. 그 이유는 분명하다. 한 우주선이 성간 공간을 빛의 속도의 10%(0.1c) 이상으로 매우 빠르게 이동할 수 있다면 다른 우주선도 곧 뒤따를 것이라 충분히 가정할 수 있고, 한 우주선이 외계 정착지를 세우는 데 필요한 모든 것을 가져가야 하는 부담, 특히 유전적 다양성을 유지하기 위해 탑승해야 하는 사람의 수를 고려하지 않아도 될 것이다. 승무원의 수가 적을수록 여행하는 동안 생존에 필요한 질량이 줄어들고, 우주선 설계 수명 요건이 덜 엄격해지며, 중복성이 줄어들기 때문에 (무엇보다) 추진력 문제도 훨씬 쉬워진다.(제7장 ‘성간 우주선 설계하기’에서)

우리은하 이웃의 무수한 외계행성에 대해 더 많이 알게 되면서 많은 사람들이 “우리가 그곳에 갈 수 있나요?”라고 묻는다. 대답은 “그렇습니다. 하지만…”이다. 우리 혹은 우리가 만든 기계가 여행을 떠나기 전에 우리는 태양과 원자의 에너지를 활용하는 진정한 행성 간 문명의 선량한 관리자가 되어야 한다. 별 사이의 여행은 분명히 가능하며, 이를 실현하는 것은 매우 어렵겠지만, 할 수는 있다!(‘에필로그’에서)