외행성 - 목성, 토성, 천왕성 그리고 해왕성 - 탐사는 상당히 긴 시간을 요구하는 모험이다. 대표적으로 1977년에 발사된 보이저 1, 2호를 들 수 있다. 이 두 탐사선에 이룩한 성과는 간단히 말로 표현할 수 없을 정도로 대단하였다. (참고로, 79년에 목성, 81년에 토성, 86년에 천왕성, 그리고 해왕성에 도착한 날이 1989년이었으니 우주가 얼마나 크고 넓은지 짐작하고도 남는다. ) 그 뒤로 외행성 탐사를 위해 탐사선에 몇 개 더 시도가 되었다. 1997년 토성으로 간 카시니-호이겐스 (Cassini-Huygens)가 대표적이다. 아래 사진은 카시니 탐사선이 2004년 5월 7일에 찍은 토성 사진이다 [1].

토성 사진 중에서 가장 예쁜 사진이라 생각한다. 토성으로부터 무려 2천 8백만 킬로미터 거리에서 찍은 사진. 지구와 달 사이의 거리가 38만 킬로미터 정도이니 상상을 초월한다(참고로 태양 – 지구의 평균 거리는 1억 5천만 킬로미터). 그리고 얼마 전 NASA에서 새로운 토성의 모습을 공개했다 [2].

토성을 이렇게 위에서 찍은 것은 처음이라고 한다. 이 사진을 찍기 위해서 36장의 이미지를 모아 모자이크로 꾸몄고, 노출을 열심히 맞췄음에도 반쪽은 과다 노출로 하얗게 이미지가 나와버렸다. 이러한 명령을 15억 킬로미터 밖에서 줘야 한다. 단순 산술 계산으로 전파가 왔다 갔다 하는데 만도 수십 분이 걸린다. 그러니까 이런 사진을 하나 얻기 위해서는 무수한 노력과 시행 착오가 따름을 짐작할 수 있다.

예를 들어, 보이저 2호가 천왕성 사진에 도착할 무렵, NASA 과학자들은 최고의 이미지를 얻기 위해 많은 고생을 하였다. 왜냐면 해왕성에 도달하는 태양 빛은 매우 미미하다. 그런데 보이저 2호의 속도는 이미 초속 수십킬로를 넘었을 정도로 상당히 빠르다 (이건 sling-shot 효과 때문). 한 마디로 한 밤중에 시속 60Km로 달리는 자동차에서 사진을 찍는 것과 같은 셈. 따라서 더 긴 노출 시간을 줘야 하고 그러면 필연적으로 사진은 흐려질 수 밖에 없다. 그래서 보이저 2호가 움직이는 속도를 보정할 수 있게끔 자세를 제어하면 깔끔한 사진을 얻을 수 있을 것이다. 그러나 그렇게 성공적이지 못하였고 지금 우리가 보는 천왕성의 사진은 밋밋한 사진에 불과하다 [3, 5].

다행히 가장 마지막 행성이 되어버린 해왕성의 사진은 멋지게 찍을 수 있었다. 이것도 상당히 힘든 작업이었다. 사진을 찍을 무렵 보이저 2호는 해왕성의 북극 지점을 통과하는 시점이었다. 그래서 자세 제어를 하는데 상당히 어려움이 있었다고 한다. 기회는 단 한번 밖에 없다. 한번 지나치고 말기 때문이다. 해왕성의 모습은 상당히 보다시피 상당히 놀랍다. 활발한 대기의 흐름을 관찰할 수 있었다. 믿기지는 않지만 바람의 속도가 시속 1,600킬로가 넘는다고 하는데 상상이 가지 않는 수치이다. 그리고 해왕성에는 완전한 모양이 아닌 부분만 남아있는 고리도 확인된다 [3, 6].

그런데 만약 사진을 찍어서 전송해야 하는 안테나가 고장 난다면 어떻게 될까? 그 외에 수 억 킬로미터 밖에 있는 우주 탐사 장비에 문제가 생기면 어떻게 해야 할까? 그야말로 수백억의 돈과 수 많은 과학자들의 노력과 기대가 물거품이 되고 만다. 대표적인 얘가 화성 탐사선인 PathFinder의 소프트웨어 버그(Priority Inversion)를 들 수 있다. 이 이야기는 다음 기회에 더 써 볼 예정이고, 오늘은 1989년에 발사된 목성 탐사선인 갈릴레오(Galileo) 탐사선이 겪은 문제를 이야기 해보자 [3, 4].

찍은 사진을 지구까지 전송하기 위해서는 상당히 고출력의 안테나가 필요하다. 그런데 갈릴레오 탐사선은 발사 후 이 안테나를 펼치는 과정에서 문제가 발생하여 완전히 펼치지를 못하여 사용 불능 상태에 빠지고 만다. 아무리 좋은 사진을 찍어도 지구로 전송할 방법이 없는 것이다. 다행히, 저출력의 안테나가 있었으나 전송 속도가 너무 느렸을 뿐만 아니라 이것을 지구에서 성공적으로 수신하기도 쉽지 않은 문제다. 이 문제를 극복하기 위해 이미지를 높은 압축률로 압축하는 소프트웨어를 새롭게 개발하였다. 그리고 이것을 갈릴레이 탐사선에 있는 컴퓨터로 전송하여 재설치를 하였다. 이렇게 해서 저출력 안테나로 사진을 전송 받을 수 있었다. 비록, 만 3천장 밖에 되지 않은 사진만을 전송하였지만 그래도 그 성과는 충분히 대단하였다 (각종 목성 위성에 대한 정보를 많이 밝혀내었다).

흠. 써놓고 보니 제목과는 달리 거의 우주선 이야기로 가득하다. 어쨌든 수억/수십억 킬로미터 밖에 있는 컴퓨터 장비가 고장이 났을 때, 어떻게 하면 최대한 살릴 수 있을까라는 문제는 디버깅 문제 가운데에서도 가장 힘든 문제일 것이다. PathFinder의 예는 이 보다 더 극적인 이야기이다 [3].

참고자료:

1. http://saturn.jpl.nasa.gov/multimedia/images/image-details.cfm?imageID=546
   
2. http://saturn.jpl.nasa.gov/multimedia/images/image-details.cfm?imageID=2509
   
3. Science Channel 다큐멘터리 중 (제목은 까먹었…)
   
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_spacecraft#Main_antenna_failure
   
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Uranus
   
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Neptune
   

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