감마선 폭발 2,000건 포착한 NASA 스위프트 망원경, 이제 지구로 떨어진다

NASA의 Neil Gehrels 스위프트(Swift) 천문대는 우주에서 가장 강력한 폭발을 포착하기 위해 이십 년 동안 하늘을 누벼 온 우주망원경이다. 그 스위프트가 과학 관측을 멈췄다. 지금은 고도가 너무 낮아 희박한 상층 대기의 저항이 강하게 작용하는 탓에 망원경을 목표물에 안정적으로 고정할 수 없다. 스위프트를 더 높이 밀어 올리려고 보낸 로봇 우주선은 끝내 스위프트를 붙잡지 못했다. 몇 주 안에 스위프트는 대기권으로 떨어져 불타 사라진다.

스위프트는 두 해짜리 주 임무를 목표로 설계됐지만 그 열 배가 넘는 기간 동안 작동하며 수천 건의 감마선 폭발을 포착했다. 감마선 폭발은 무거운 별이 붕괴하거나 죽은 별끼리 충돌할 때 방출되는 짧은 복사 섬광이다. 스위프트가 퇴장하면서 천문학자들은 이런 섬광을 발견하고 일 분 안팎에 방향을 돌려 관측할 수 있던 유일한 망원경을 잃게 됐다.

“스위프트는 국가에 놀랍고도 오래 지속되는 투자 성과를 안겨 주었습니다. 2년짜리 주 임무를 위해 설계됐지만 그 10배가 넘는 기간 동안 성과를 냈습니다.” NASA 본부 천체물리학 부문 책임자 Shawn Domagal-Goldman의 말이다. NASA 집계에 따르면 스위프트 데이터로 이룬 성과는 2000건이 넘는 감마선 폭발, 1400개가 넘는 초신성, 블랙홀에 찢긴 별, 혜성, 소행성, 그리고 스위프트 데이터를 바탕으로 발표된 약 7000편의 논문에 이른다.

궤도 위 망원경은 왜 떨어지나

지구 저궤도를 도는 위성은 모두 대기의 가장 바깥쪽 옅은 층을 스치며 날아간다. 스위프트에는 이를 밀어낼 엔진이 없는 데다, 태양 활동이 극심한 시기까지 겹치면서 문제가 더 나빠졌다. 활발한 태양은 상층 대기를 가열해 부풀리기 때문에 같은 고도에서도 위성이 부딪히는 공기가 많아진다.

스위프트는 약 600킬로미터 고도의 궤도에 투입됐다. 지금은 275킬로미터 아래로 내려와, 국제우주정거장이 비행하는 약 400킬로미터보다 한참 낮다. NASA에 따르면 이 고도에서는 항력이 너무 강해 망원경이 목표물을 안정적으로 응시할 수 없다. NASA는 어떤 구조 작전이든 되돌릴 수 없는 한계점을 약 300킬로미터로 잡아 두었다.

우주선의 무게는 약 1450킬로그램이다. 우주 물체 추적 기업 LeoLabs는 CNN에 “스위프트 우주선은 크기 때문에 일부 부품이 재진입 과정에서 살아남을 가능성은 있지만, 잔해가 누군가에게 심각한 재산 피해나 신체적 위해를 끼칠 확률은 매우 낮다”고 밝혔다. 이 회사는 살아남은 잔해 대부분이 바다나 사람이 살지 않는 땅에 떨어진다고 덧붙였다.

성공 직전까지 갔던 구조 작전

NASA는 실제로 구조를 시도했다. 애리조나주 플래그스태프에 본사를 둔 Katalyst Space에 3000만 달러를 주고 LINK라는 로봇 우주선을 만들게 한 것이다. LINK는 스위프트에 접근해 로봇 팔로 붙잡은 뒤 원래 고도 쪽으로 다시 끌어올릴 계획이었다. 하지만 스위프트는 애초에 이런 작업을 염두에 두고 설계되지 않아 정비 우주선이 붙잡을 손잡이나 고정 장치가 없다. 성공했다면 정비를 전제로 만들어지지 않은 무인 정부 위성을 민간 로봇이 포획한 첫 사례가 됐을 것이다.

Katalyst는 일 년도 안 돼 LINK를 완성했고, 제트기에서 투하되는 Pegasus XL 로켓에 실어 발사했다. 비행을 시작한 지 일주일쯤 지나 전원 스위치 고장이 반작용 휠(우주선이 방향을 잡는 데 쓰는 회전 플라이휠) 하나를 덮쳤다. 이어 응답하지 않는 추력기 밸브 때문에 LINK가 회전에 빠졌고, 두 번째 스위치 고장이 뒤따랐다. 반작용 휠 세 개 중 두 개가 멈춘 상황에서 회전을 멈추느라 추진제를 소모하자, 안전한 포획에 필요한 양이 남지 않았다.

NASA와 Katalyst는 구조를 중단했다. 그래도 LINK는 스위프트에서 12~15킬로미터 거리까지 다가가 사진을 찍은 뒤 스스로도 대기권에서 불타 사라졌다. Katalyst의 Kieran Wilson은 미국 국립학술원(National Academies)의 천문학 위원회에서 “정말, 정말 가까이 갔습니다”라고 말했다. Jared Isaacman NASA 국장은 이렇게 표현했다. “우리가 목표로 했던 결과는 아니지만, 이 임무를 시도할 가치가 있었던 이유는 달라지지 않습니다.”

지상에서는 스위프트를 운용하는 Penn State(펜실베이니아 주립대학교) 팀이 시간을 벌려고 애썼다. 관제팀은 과학 관측 목표 대신 우주선을 가장 유선형 자세로 유지할 수 있는 하늘의 위치를 겨냥하며, 몇 달 동안 목표를 정한 과학 관측을 포기했다. Penn State의 임무 책임자 John Nousek은 이 노력을 “우주선이 받는 항력을 최소화하는 새로운 방법을 개척하는 일”이라고 설명했다. 구조 계획이 축소되자 스위프트는 관측 장비 세 개 중 두 개로 다시 관측에 나섰고, 항력 때문에 관측이 끝날 때까지 일을 계속했다.

스위프트가 바꾼 우주 폭발 연구

감마선 폭발은 1초도 안 되는 것부터 몇 분 동안 이어지는 것까지 있으며, 스위프트 이전에는 대형 망원경이 찾아내기 전에 대부분 사라져 버렸다. NASA 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)에서 이 임무의 책임연구원을 맡고 있는 S. Bradley Cenko는 “스위프트는 감마선 폭발 연구 전용 위성으로 설계됐습니다. 감마선 폭발은 너무 빨리 나타났다 사라져서 누구도 대형 망원경을 겨냥해 더 자세히 알아낼 수 없었습니다”라고 말했다. 광시야 감마선 검출기가 폭발을 포착하면 스위프트는 그 위치를 지상 관측소에 전송하고, X선 망원경과 자외선·광학 망원경을 돌려 희미해지는 잔광을 잡아냈다. Cenko는 “보통 스위프트가 이 작업을 하는 데 일 분 정도 걸렸습니다”라고 말했다.

그 속도가 오랜 수수께끼를 풀었다. 정점에 이르기까지 2초가 채 걸리지 않는 짧은 감마선 폭발은 그때까지 잔광을 볼 수 있을 만큼 정확히 위치가 파악된 적이 없었다. 스위프트는 지속 시간이 백분의 삼 초에 불과한 폭발을 포착해 X선 광자 11개를 검출했고, 이 결과는 짧은 폭발이 중성자별, 즉 폭발한 별이 남긴 도시 크기의 잔해끼리 충돌해 생긴다는 견해를 뒷받침했다.

스위프트는 범용 긴급 관측 망원경 역할도 했다. 천문학자들이 긴급 관측을 요청하면 몇 분 안에 지상에서 명령이 내려졌고, 하루 일정에 최대 75개의 서로 다른 목표를 소화할 수 있었다. NASA의 페르미(Fermi) 망원경과 함께 발견한 GRB 221009A는 관측 사상 가장 강력한 에너지를 지닌 감마선 폭발로, 약 24억 광년 떨어진 곳에서 일어났다. ‘역대 가장 밝은(brightest of all time)’이라는 뜻의 영어 머리글자를 따 BOAT라는 별명이 붙었다.

스위프트는 자외선·광학 망원경이 찍은 150만 장이 넘는 이미지와 총 약 12테라바이트의 데이터를 아카이브로 남긴다. NASA는 이를 고화질 영화 약 600편 분량에 비유하며, 이 자료는 모두 공개돼 있다.

임무가 끝나도 풀리지 않는 것들

재진입의 정확한 날짜와 장소는 아직 알 수 없다. NASA는 앞으로 몇 주 안에 이뤄질 것으로 예상한다고만 밝혔으며, 시점은 상층 대기의 밀도를 바꾸는 태양 활동에 달려 있다. 앞서 소개한 안심되는 위험 추정치는 추적 기업에서 나온 것으로, NASA가 공개한 평가가 아니다.

더 큰 미해결 과제는 스위프트의 역할을 무엇이 대신하느냐다. NASA는 후속 망원경을 지명하지 않았다. Domagal-Goldman은 NASA가 “빠르게 궤도에 올릴 수 있는 상업적 역량부터 효율적이고 혁신적인 새 임무까지, NASA가 보유한 기존 우주망원경 함대를 활용하고 보강할 역량을 모색하고 있다”고 말했다. 우주의 섬광을 찾는 우주선은 이미 여럿 있다. 중국과 프랑스가 함께 만든 SVOM, 중국이 주도하는 아인슈타인 탐사선(Einstein Probe)이 대표적이며, 페르미도 여전히 감마선 하늘을 지켜보고 있다. 하지만 폭발을 찾아내 일 분 안팎에 잔광까지 관측할 수 있던 망원경을 이 조합이 얼마나 잘 대신할지는 천문학자들이 실제로 겪어 봐야만 알 수 있다.

위성 정비 분야에서 LINK는 작은 기업도 일 년이 채 안 되는 기간에 로봇 정비 우주선을 만들어 띄울 수 있고, 추력기와 로봇 팔이 제대로 작동한다는 점을 보여 줬다고 Katalyst는 밝혔다. 하지만 가장 어려운 부분, 즉 붙잡히도록 설계되지 않은 우주선을 붙잡는 일은 끝내 증명하지 못했다.

스위프트의 최후, 자주 묻는 질문

NASA 스위프트 망원경은 언제 지구로 떨어지나요?

NASA는 스위프트가 앞으로 몇 주 안에 대기권에 재진입할 것으로 예상한다. 마지막 과학 관측은 2026년 10월 20일에 이뤄졌다.

추락하는 스위프트 망원경 잔해는 위험한가요?

약 1450킬로그램인 우주선의 대부분은 불타 없어질 것으로 보인다. 추적 기업 LeoLabs는 일부 부품이 살아남을 수 있지만 누군가에게 심각한 피해나 위해를 끼칠 확률은 매우 낮으며, 살아남은 잔해는 바다나 사람이 살지 않는 땅에 떨어질 가능성이 가장 높다고 밝혔다.

NASA는 왜 스위프트를 구하지 못했나요?

스위프트에는 스스로 궤도를 올릴 엔진이 없다. NASA와 맺은 3000만 달러 규모의 계약에 따라 Katalyst Space가 만든 로봇 우주선 LINK가 스위프트를 붙잡아 끌어올릴 예정이었지만, 반작용 휠 고장과 회전 때문에 포획을 시도하기도 전에 추진제를 다 써 버렸다.

감마선 폭발이란 무엇인가요?

감마선 폭발은 고에너지 복사가 짧게 번쩍이는 섬광으로, 지금까지 알려진 가장 강력한 종류의 폭발이다. 긴 폭발은 무거운 별의 붕괴에서 비롯되고, 지속 시간이 2초 미만인 짧은 폭발은 중성자별 충돌과 관련이 있다.

연대기, 그리고 다음 단계

스위프트는 2004년 11월 20일 발사됐고, NASA는 2018년, 2017년에 세상을 떠난 초대 책임연구원 Neil Gehrels의 이름을 따 망원경 이름을 바꿨다. 획기적인 짧은 폭발 GRB 050509B는 2005년 5월에 관측됐고, BOAT는 2022년 10월 9일에 뒤를 이었다.

NASA는 2025년 9월 25일 Katalyst와 계약을 맺었고, LINK는 2026년 7월 3일 마셜 제도의 콰절레인 환초(Kwajalein)에서 발사됐으며, 포획은 8월 19일 취소됐다. LINK는 9월 말 대기권에 재진입했고, 스위프트는 10월 20일 마지막 관측을 수행했다.

이제 남은 것은 몇 주 안으로 예상되는 추락 그 자체다. 스위프트 아카이브는 앞으로도 연구자들에게 열려 있으며, Domagal-Goldman은 이 데이터가 “앞으로도 수십 년 동안 새로운 발견의 원동력이 될 것”이라고 말한다.

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