화성으로 가는 길: 행성의 관측과 과학 연구의 역사

고대 천문학자부터 현대 임무까지 화성의 발견과 연구 역사 — stock.adobe.com

화성은 태양계에서 가장 신비롭고 매력적인 행성 중 하나입니다. 붉은 행성이라고 불리며, 표면의 산화철 때문에 녹슨 색을 띱니다. 화성은 태양에서 네 번째 행성이며, 수성 다음으로 두 번째로 작은 행성입니다. 화성의 직경은 약 6800km로, 지구의 절반 정도 크기입니다. 화성에는 소형 위성 두 개, 포보스와 데이모스가 있으며, 이들은 소행성과 비슷한 모양을 가지고 있습니다.

인류는 화성에 항상 관심을 가져왔습니다. 화성은 지구에 가장 가까운 생명체가 존재할 가능성이 있는 행성이기 때문입니다. 화성은 맨눈으로도 관찰할 수 있었던 고대 문명에 이미 알려져 있었으며, 다양한 이름으로 불렸습니다. 시간이 지나면서 천문학자들은 그들의 도구와 연구 방법을 개선하여 화성의 비밀을 점점 더 많이 발견했습니다. 이 기사에서는 고대부터 현재까지 화성의 발견과 연구 과정을 소개합니다.

화성 행성의 발견

화성 행성의 형성과 나이

현대 과학 자료에 따르면, 화성 행성은 약 46억 년 전에 태양 주위의 우주 먼지와 가스의 압축으로 형성되었습니다. 이 과정은 응축(accumulation)이라고 불리며, 이는 태양계의 모든 행성을 형성한 과정입니다.

화성도 지구처럼 다른 천체들과의 여러 충돌을 겪었으며, 이는 화성의 형태, 구조 및 기후에 영향을 미쳤습니다. 약 41억 년 전 발생한 충돌 중 하나는 화성의 북반구 거의 절반을 차지하는 거대한 보레알리스 분지를 형성했습니다. 약 40억 년 전 또 다른 충돌은 화성의 가장 높은 산인 올림푸스를 형성했으며, 이는 높이가 22km에 달해 에베레스트 산보다 3배나 높습니다.

화성 행성 이름의 기원

화성은 붉은색이 피와 전투를 연상시키기 때문에 로마 전쟁의 신 마르스(Mars)의 이름을 따서 명명되었습니다. 고대 그리스인들은 이 행성을 전쟁의 신 아레스(Ares)라고 불렀습니다. 다른 문화권에서도 화성의 색이나 특성과 관련된 다양한 이름을 붙였습니다. 예를 들어, 이집트인들은 이를 "빨간색"을 의미하는 '게르-데셰르'라고 불렀고, 바빌로니아인들은 이를 '불과 파괴의 신'을 의미하는 '네르갈'이라 불렀습니다. 인도인들은 '불타는 자'를 의미하는 '앙가라카'라고 했으며, 중국인들은 이를 '불의 별'을 의미하는 '후오싱'이라고 불렀습니다.

화성의 최초 망원경 관측 날짜

화성의 최초 망원경 관측은 1610년 이탈리아 천문학자 갈릴레오 갈릴레이에 의해 이루어졌습니다. 그는 20배로 확대되는 자작 망원경을 사용했으며, 화성도 달처럼 위상 변화를 보인다는 것을 발견했습니다. 이는 화성이 태양과 지구의 상대적인 위치에 따라 모양이 변한다는 것을 의미합니다.

화성의 궤도 위치

화성은 태양으로부터 약 2억 2800만 킬로미터 떨어져 있으며, 평균 궤도 속도는 약 24km/s입니다. 궤도가 타원형이기 때문에 화성과 태양 사이의 거리는 연중 변화합니다. 최소 거리는 근일점(페리헬리온)이라고 하며 약 2억 700만 킬로미터, 최대 거리는 원일점(아페리헬리온)이라고 하며 약 2억 4900만 킬로미터입니다. 화성의 궤도 주기는 687 지구일로, 지구의 약 두 배입니다.

밤하늘에서의 화성 가시성

화성은 밤하늘에서 가장 밝은 천체 중 하나입니다. 그 가시성은 지구와 태양에 대한 위치에 따라 다릅니다. 화성이 태양 반대편에 있을 때, 화성은 최대 밝기에 도달하며 이를 대합(反衝) 화성이라고 합니다. 이때는 밤새 볼 수 있으며 노란색-주황색 빛을 띱니다. 반면, 화성이 태양과 같은 편에 있을 때는 거의 보이지 않으며 이를 합(合) 화성이라고 합니다. 이때는 태양빛과 섞여 창백한 분홍색을 띱니다. 대합은 약 26개월에 한 번 발생하며, 합은 약 15개월에 한 번 발생합니다.

17~18세기 화성 연구

고대와 중세 시대의 화성 첫 망원경 관측

화성은 고대 문명에 알려져 있었지만, 망원경을 사용한 관측은 17세기부터 시작되었습니다. 그 이전에는 천문학자들이 육안으로 화성을 관찰하고 그 움직임을 기록했습니다. 그들은 화성의 위치를 기록한 목록과 표를 만들었으며, 이는 점성술과 달력에 사용되었습니다. 예를 들어, 고대 바빌로니아인들은 기원전 7세기부터 화성을 관찰하고 화성의 움직임을 설명하는 첫 번째 수학 모델을 만들었습니다.

고대 그리스인들, 예를 들어 프톨레마이오스, 아리스토텔레스, 히파르코스는 화성의 역행 운동(별자리에서 뒤로 움직이는 것처럼 보이는 현상)을 설명하려 했습니다. 그들은 화성이 지구 주위를 도는 큰 원인 이심(弧心)을 중심으로 작은 원인 주심(主心)을 따라 이동한다고 가정했습니다. 이 모델은 지구 중심적 모델로, 16세기까지 천문학에서 지배적이었습니다.

갈릴레오 갈릴레이의 발견

화성을 망원경으로 관찰한 최초의 천문학자는 갈릴레오 갈릴레이였습니다. 그는 1610년에 첫 번째 관측을 하였으며, 화성이 달처럼 위상을 가지고 있음을 확인했습니다. 이는 태양 중심의 태양계 모델을 지지하는 중요한 발견이었습니다. 이 모델은 코페르니쿠스가 제안했으며, 모든 행성이 지구가 아닌 태양 주위를 돈다는 이론이었습니다.

갈릴레이는 또한 화성의 크기와 거리를 측정하려 했으나, 그의 망원경의 품질이 낮고 시차를 측정하는 것이 어려워 그의 결과는 정확하지 않았습니다. 그는 1638년 실명할 때까지 화성을 관찰했습니다.

다른 천문학자들의 발견 (얀 헤벨리우스, 지오바니 카시니)

갈릴레이 이후 다른 천문학자들도 망원경을 사용하여 화성을 연구하고 새로운 발견을 했습니다. 예를 들어, 네덜란드 천문학자 얀 헤벨리우스는 1659년에 화성의 첫 상세 지도를 만들었으며, 그 표면에 어두운 영역과 밝은 영역을 표시했습니다. 그는 이 영역에 아라비아, 리비아, 시리아와 같은 지리적인 이름을 붙였습니다. 또한 그는 화성의 자전 주기를 측정했으며, 그 값은 24시간 37분 22초였습니다. 이 값은 현대 측정값인 24시간 37분 23초와 거의 일치합니다.

또 다른 중요한 천문학자는 이탈리아 천문학자 지오바니 카시니였습니다. 그는 1666년에 화성이 약 25도의 자전축 기울기를 가지고 있음을 발견했습니다. 이는 화성도 지구처럼 계절을 가지고 있음을 의미하지만, 화성의 계절은 궤도 주기가 더 길기 때문에 더 깁니다. 카시니는 또한 시차를 사용하여 화성과 지구 사이의 거리를 측정하였고, 그 거리는 약 1억 4000만 킬로미터였으며, 이는 갈릴레이가 측정한 거리의 두 배였습니다.

19세기 화성 연구

화성 위성의 발견

화성 연구 역사상 가장 중요한 발견 중 하나는 화성의 두 위성, 포보스와 데이모스의 발견입니다. 이 발견은 1877년 미국 천문학자 아사프 홀에 의해 워싱턴 천문대에서 66cm 굴절 망원경을 사용하여 이루어졌습니다.

홀은 프랑스 천문학자 카미유 플라마리옹이 화성에 위성이 있을 수 있다고 추정한 후 이를 찾기 시작했습니다. 홀은 그 위성을 그리스 신화에서 화성의 아들인 공포의 신 포보스와 공포의 신 데이모스의 이름을 따서 명명했습니다.

포보스는 화성에 가장 가까운 위성으로, 화성에서 약 6000km 떨어져 있으며 직경은 약 22km입니다. 데이모스는 더 멀리 떨어져 있으며, 화성에서 약 2만 km 떨어져 있고 직경은 약 12km입니다. 두 위성은 불규칙한 모양을 하고 있으며 소행성처럼 생겼습니다. 이들은 화성 주위를 행성보다 더 빠르게 회전하며, 하루에 두 번 떠오르고 집니다.

화성에서 발견된 운하

19세기 또 다른 유명한 발견은 화성의 운하였습니다. 이 발견은 1877년 이탈리아 천문학자 지오바니 시아파렐리에 의해 화성의 대합 기간 동안 이루어졌습니다. 시아파렐리는 화성 표면에 얇은 선을 보았고, 이를 '운하'라고 불렀습니다. 그는 이것이 자연적인 것이거나 인공적인 수로일 수 있다고 추측했습니다.

시아파렐리는 화성의 지도를 작성하여 운하 약 40개를 표시하고, 그들에게 강이나 역사적 인물의 이름을 붙였습니다.

그의 발견은 과학계에서 큰 관심과 논쟁을 불러일으켰습니다. 많은 천문학자들이 운하의 존재를 확인하거나 부인하려 했지만, 망원경의 해상도가 낮거나 대기 방해로 인해 운하를 볼 수 없었습니다.

운하 이론의 가장 유명한 지지자 중 한 명은 미국 천문학자 퍼시벌 로웰로, 그는 1894년 애리조나에 자신의 천문대를 설립하여 화성을 연구했습니다. 그는 화성에 있는 운하가 건조한 땅을 관개하기 위해 건설된 운하라고 주장했으며, 그 운하가 고도로 발전된 문명의 증거라고 믿었습니다.

첫 화성 지도 출판

시아파렐리가 화성의 운하를 발견한 그 해인 1877년에 프랑스 천문학자 카미유 플라마리옹이 최초의 화성 지도를 출판했습니다. 이 지도는 망원경 관측을 기반으로 하였으며, 운하, 바다, 대륙 등을 표시했습니다. 그러나 이 지도는 현실과 맞지 않는 공상적인 요소가 포함되어 있었습니다.

다른 천문학자들의 발견

19세기 말과 20세기 초에 천문학자들은 계속해서 화성을 연구하며 새로운 발견을 했습니다. 예를 들어, 1892년 미국 천문학자 윌리엄 헨리 피커링은 화성에 대기가 존재한다고 밝혔으며, 1909년에는 화성의 극관이 계절에 따라 크기가 변화한다는 것을 발견했습니다.

20세기 화성 연구

스펙트럼 분석을 이용한 화성 연구

20세기에는 천문학자들이 새로운 방법과 도구를 사용하여 화성을 연구하기 시작했습니다. 그 중 하나는 스펙트럼 분석 장치였습니다. 스펙트럼 분석을 통해 천문학자들은 화성 대기의 화학 성분, 온도, 압력 등을 확인할 수 있었습니다.

화성에 도달하려는 첫 시도

20세기에는 화성에 도달하려는 첫 번째 시도가 있었으며, 소련과 미국이 그 주도했습니다. 그러나 대부분의 시도는 실패했으며, 성공적인 사진을 남긴 것은 미국의 마리너 4호였습니다.

첫 성공적인 화성 탐사 임무

첫 번째 성공적인 화성 탐사 임무는 1969년 8월에 도착한 미국의 Mariner 7호였습니다. 이 탐사선은 화성의 지형을 사진으로 기록하고 대기의 물질을 분석하였습니다.

자동 행성 탐사선에 의한 화성 연구

1970년대에는 자동 행성 탐사선이 화성 궤도에 진입하여 화성의 표면을 자세히 촬영하는 데 성공했습니다.

소련의 Mars-2 및 Mars-3

소련의 Mars-2와 Mars-3은 1971년에 화성 궤도에 도착하였으며, 첫 번째로 화성 표면에 착륙하려 했습니다.

미국의 자동 행성 탐사선 Mariner 9

미국의 Mariner 9은 1971년에 화성 궤도에 진입하였으며, 화성의 다양한 지형을 7000장이 넘는 사진으로 기록했습니다.

Viking 프로그램

Viking 1과 Viking 2는 1976년에 화성에 성공적으로 착륙하여 5만 장이 넘는 사진을 지구로 전송했습니다. 이 탐사선들은 화성 표면에서 생명체를 찾기 위한 실험을 했으나, 생명체 존재 여부를 확실히 밝히지 못했습니다.

천문학자 칼 세이건과 Viking 탐사선 모델 | wikimedia.org

21세기 화성 연구

화성 탐사 로봇을 통한 연구

21세기에는 Spirit, Opportunity, Curiosity, Perseverance 등 여러 탐사 로봇이 화성 표면을 조사하고 다양한 발견을 이루어냈습니다.

Spirit과 Opportunity

Spirit과 Opportunity는 2004년에 화성에 도착하여 많은 자료를 수집했으며, 두 탐사선은 예상보다 훨씬 오랜 시간 동안 활동을 이어갔습니다. Spirit은 6년 2개월 동안 활동했으며, Opportunity는 14년 8개월 동안 활동했습니다.

Spirit 또는 Opportunity 탐사선 | wikimedia.org

Curiosity 탐사선

Curiosity는 2012년에 화성에 도착하여 현재까지 활동 중입니다. 이 탐사선은 화성에서 유기 분자와 관련된 여러 증거를 발견했으며, 다양한 기후 및 지질 연구를 수행했습니다.

성공한 모든 탐사선 비교 모델: Sojourner, Spirit/Opportunity, Curiosity — 성공한 모든 탐사선 비교 모델: Sojourner(가장 작은 탐사선), Spirit/Opportunity(중간 크기 탐사선), Curiosity(가장 큰 탐사선) | wikimedia.org

Perseverance 탐사선

Perseverance는 2021년에 화성에 도착한 최신 탐사선입니다. 이 탐사선은 화성에서 비디오와 오디오 데이터를 수집한 최초의 탐사선이며, Ingenuity라는 헬리콥터를 실어 첫 번째 행성 간 비행을 수행했습니다.

화성 궤도 탐사선에 의한 연구

21세기에는 다양한 궤도 탐사선이 화성 주위를 돌며 더 많은 데이터를 수집하고 있습니다. 주요 탐사선에는 다음이 포함됩니다:

미국의: 2001 Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN);
유럽의: Mars Express, ExoMars Trace Gas Orbiter;
인도의: Mars Orbiter Mission;
아랍에미리트의: Emirates Mars Mission;
중국의: Tianwen-1.