원자 시계 소형화가 우주 탐험에 어떤 혁신을 가져올까요?

질 서버트같은 심우주 항해사들에게 대체 우주선 조종을 어렵게 하는 것이 무엇이냐 물어보면, 아마 모든 게 시간 문제라고 답할 것입니다. 1초도 안되는 아주 짧은 시간이 임무의 성공과 실패를 좌우할 수도 있습니다. 우주선이 시간을 정확히 알려줄 수 없다면, 어떻게 해야 할까요? 여러분은 시계를 주겠다고 대답하겠지요. 엄밀히 말하자면, 바로 원자 시계를 주겠지요. 서버트가 여러분들을 혁신적인 잠재력의 미래로 이끌 것입니다. 그 미래에서는 여러분들이 우주 어디에 있든지, 별을 GPS 삼아 이용할 수 있을 것입니다.

6개월 전,

저는 숨을 죽이고

NASA 인사이트 착륙선이
화성에 착륙하는 것을 지켜봤습니다.

200m,

80m,

60, 40, 20, 17m.

성공적인 착륙을 확인했을 때가

제 삶에 있어서 가장 황홀했던
순간 중 하나였습니다.

그 소식을 들을 수 있었던 것은
작은 큐브 세트 두 개 덕분이었습니다.

인사이트와 같이 화성으로 보낸 것이죠.

그 두 개의 큐브들은 인사이트의
원격 측정치를 거의 실시간으로

지구로 중계해줬습니다.

그래서 거의 실시간으로
인사이트 착륙선이

날카로운 소리와 함께 행성 표면으로
내려가는 장면을 볼 수 있었습니다.

화성의 대기와 부딪칠 때

최고 속력은 시속 1만9천km였죠.

그 광경은 생중계되었습니다.

1억 5천만km 이상 먼 곳에서요.

화성으로부터 생중계되었습니다.

한편,

두 개의 보이저 우주선들은

이제는 거의 믿을 수 없을 만큼
용감한 탐험가들로 여겨집니다.

그들이 발사된 해는

스타워즈 영화에 한 솔로가
처음 등장한 바로 그해입니다.

그들은 성간 공간으로부터
여전히 정보를 보내오고 있습니다.

40년이 넘는 시간 동안 말이죠.

우리는 그 어느 때보다
더 많은 우주선을 심우주로 보냅니다.

하지만 우주에 보낸 모든 우주선들의

항로는 여기서 정합니다.

바로 여기 지구에서요.

운항은 우주선의 위치와,
더 중요하게도,

방향을 말해줍니다.

여기 지구에서 운항을 해야 하는
이유는 단순합니다.

우주선이 시간을 전혀 모르기 때문이죠.

하지만 우리가 그걸 바꿀 수 있다면

심우주 탐사 방식에 엄청난 혁신을
불러일으킬 수 있습니다.

저는 심우주 조종사입니다.

대체 그게 뭐냐고 생각하시겠죠.

심우주 조종사는 매우 독특하고
동시에 매우 재미있는 직업입니다.

제가 우주선을 조종하는 겁니다.

발사용 로켓에서 분리된 그 순간부터

우주에 있는 목적지에
도착할 때까지 말입니다.

목적지를 화성 혹은
목성이라고 가정하겠습니다.

그들은 아주 멀리 떨어져 있습니다.

제 직업을 이해하기 쉽게 비유해 보면

마치 로스엔젤레스에서 제가 활을 쏘는데

그 화살로 25센트 동전만한
과녁을 맞추는 것과 같습니다.

그 동전은 뉴욕에 놓여있고요.

우주선의 진로를 조정할 기회는

궤도를 따라서 몇 번 있습니다.

하지만 그러기 위해선,
먼저 위치를 알아야 합니다.

심우주를 여행할 동안
우주선을 추적하는 것은

기본적으로 시간 측정의 문제입니다.

단순하게 자를 꺼내서 우주선이
얼마나 떨어져있는지 잴 수는 없죠.

그렇지만 측정 방법이 있습니다.

신호를 보내고 다시 돌아오는 데
걸리는 시간을 통해 말이죠.

이 개념은 메아리와 같습니다.

만약 산 앞에 서서 소리를 지른다면

메아리를 다시 들을 때까지
걸리는 시간이 길면 길수록

산이 더 멀리 떨어져있음을
알 수 있습니다.

우리는 그 신호 시간을
아주 아주 정확하게 측정합니다.

왜냐하면 몇 분의 1초라는
짧은 시간이라도 틀린다면

이 둘 사이의 차이가 생기는 걸
의미할지도 모릅니다.

우주선이 다른 행성의 표면에
안전하고 부드럽게 착륙하는 것과

표면에 또 하나의 분화구를 만드는 것.

아주 짧은 순간의 차이가

임무의 성공과 실패의 차이가
될 수도 있습니다.

그래서 지구에서 그 신호 시간을
아주 정확하게 측정합니다.

10억분의 1초까지 말이에요.

그렇지만 지구에서 측정해야 합니다.

그게 심우주 탐사와 관련한
심각한 불균형입니다.

역사적으로, 작은 물건을
아주 멀리 보내는 것이 가능해졌습니다.

지구에 있는 아주 큰 물체 덕분이죠.

예를 들자면, 위성 안테나는
이렇게 큽니다.

심우주에 있는 우주선들과
연락할 때 사용합니다.

항해를 위해 사용하는
원자 시계 또한 큽니다.

원자 시계와 이 모든 보조 장비들은

냉장고만큼 클 수 있습니다.

이 시계를 심우주로 보내는 데 대해
말이라도 하고 싶다면

그 냉장고는 작아질 필요가 있습니다.

과일칸에 들어갈 만큼 말입니다.

그렇다면 왜 이게 문제가 될까요?

우리의 용감한 탐험가인
보이저 1호를 다시 봅시다.

보이저 1호는 현재
210억km 이상 멀리 있습니다.

알다시피 40년도 넘게 걸렸죠.

빛의 속도로 40시간이 넘게 걸립니다.

신호가 그곳에 도달했다가
다시 돌아오는 데요.

그런데 우주선에는 문제가 있습니다.

그들은 아주 빠르게 움직입니다.

보이저 1호는 지구에서 방향 지시를
보내는 동안 멈춰있지 않습니다.

보이저 1호는 계속 움직입니다.

우리가 기다리는 그 40시간,

지구에서 메아리 신호를
듣기까지 걸리는 그 시간 동안,

보이저 1호는 계속해서
약 240만km를 더 움직입니다.

우리가 알지 못하는 곳으로
240만km를 더 간 것입니다.

그러니 우주선에서 직접 신호 시간을

측정할 수 있다면 좋을 것입니다.

그러나 원자 시계를
축소하는 기술은 어렵습니다.

시계와 모든 보조 장비들이

줄어들어야만 할 뿐 아니라

제대로 작동도 해야 합니다.

우주는 이례적으로 혹독한 환경입니다.

기기에서 한 부분이 고장나더라도

그저 기술자를 보내 부품을 갈아 끼우고

계속 해나갈 수 있는 것이 아닙니다.

우주선의 여정은 몇 달, 몇 년,

심지어는 몇십 년간 지속됩니다.

우주선을 유지하는 정밀한 기기를
설계하고 만드는 것은

과학이나 기술이면서 동시에 예술입니다.

좋은 소식도 있는데 어느 정도
엄청난 진전을 이루고 있다는 점입니다.

우리는 막 첫걸음을 딛기 시작했습니다.

바로 우주 원자 시계 시대로 말입니다.

우리는 곧 우주에 적합하며 이온을
사용한 원자 시계를 만들 것입니다.

이 시계는 우리의 항해 방식을
완전히 바꿀 만한 잠재력이 있습니다.

이 시계는 아주 안정적이고

시간을 아주 잘 측정해서

제가 전원을 켜서 여기에 두고

나갔다가

900만 년 후에 다시 와서

측정해보면 그 시계의 오차는
단지 1초일 것입니다.

이런 시계로 뭘 할 수 있을까요?

모든 우주선 항해를
지구에서 조정하는 게 아니라

우주선이 스스로
항해하게 하면 어떨까요?

우주선에 설치된 자율 항해 시스템,

또는 스스로 날아가는 우주선은

가장 정교한 기술들 중 하나입니다.

심우주에서 살아남기 위해
필요한 기술이죠.

불가피하게 인간을 화성,
혹은 더 멀리 보낼 때,

그 우주선은 실시간으로
조종해야만 합니다.

지구에서 오는 지시를
기다리는 것이 아니고요.

그 순간의 측정 오차가

성공과 실패를 좌우할 수 있습니다.

로봇이 수행하는 임무라 해도
아주 좋지 않죠.

만약 우주 비행사들이 타고 있었다면
결과가 어땠을지 생각해보세요.

우리가 우주 비행사들을 안전하게

목적지까지 보낼 수 있다 가정해봅시다.

우주비행사들이 일단 도착하면
주변을 알고 싶어하겠죠.

이러한 시계 기술과 함께라면,

GPS 같은 길찾기 시스템을
만들 수 있습니다.

다른 행성과 위성에서 말이죠.

달이나 화성에서 GPS를
갖고 있다고 생각해봐요.

우주 비행사가 화성 표면에 있는데

그 뒤엔 올림푸스 산이 우뚝 솟아있고

구글 맵 화성판을 내려다 보면서

위치를 확인하고

목적지까지 경로를 짜는
모습이 그려지나요?

잠시 제가 상상을 해 보겠습니다.

아주 먼 미래에 대해
이야기 해보려고 합니다.

화성보다 훨씬 더 먼 곳에
사람을 보낸다고 해 봅시다.

어디로 가야할지 알려주는 신호가
지구에서 오는 걸 기다리는 것이

비현실적인 곳입니다.

여기서 우리가 별자리를
이용한다고 생각해보세요.

심우주 여기저기 흩어진 통신위성 망이

항해 신호를 송출하고

그 신호를 들은 어떠한 우주선이라도

목적지들을 향해 여행할 수 있습니다.

지구와의 직접적인 연결이
전혀 없는 상황에서도요.

심우주에서 정확하게
시간을 정할 수 있는 능력은

우리가 항해하는 방식을
영원히 바꿀 것입니다.

그리고 우리에게 잠재적으로
멋진 과학을 전달해줄 수 있습니다.

항해를 위해 쓰는 바로 그 신호가

자신이 어디에서 왔는지

안테나에서 안테나로 이동한
그 여행이 어땠는지 말해줍니다.

그 여행은 더 나은 모델을
만들 수 있는 자료를 줍니다.

태양계 도처에서 행성 대기의
더 나은 모형을 만들 수 있습니다.

아득한 얼음 달에 있는
바다 밑바닥을 볼 수 있고

어쩌면 상대론적 중력의 작은 잔물결을
감지할 수 있을지도 모릅니다.

우주선 탑재 자율 항해로
더 많은 우주선을 운영할 수 있고

더 많은 감지기로 우주를
탐험할 수 있습니다.

또한 저 같은 항해사들을 자유롭게 해서

다른 문제의 답을
찾도록 할 수 있습니다.

우리에겐 풀어야 할 질문이
아직 많이 남아있습니다.

우리는 우리 우주에 대해서
아주 조금만 알 뿐입니다.

최근에 우리는 행성계를
거의 3,000개 발견했습니다.

우리 태양계 밖에서 말이에요.

이들에는 태양계 밖 행성들이
약 4천 개 있습니다.

여러분들의 이해를 도와드리자면,

제가 어린 시절 행성에 대해
처음 배울 때에는

9개의 행성이 있었습니다.

명왕성을 제외한다면 8개네요.

하지만 지금은 4천 개입니다.

추정에 의하면 암흑 물질이

우주의 96%를 차지하고 있습니다.

우리는 암흑 물질이 뭔지도 모릅니다.

모든 심우주 임무에서 얻은 과학들은

지식의 아주 일부분에 지나지 않습니다.

아주 광활한 질문의 바다에서 말이죠.

따라서 우리가 더 알고 싶다면,

더 발견하고 싶고,
더 이해하고 싶다면,

더 탐험해야 합니다.

심우주에서 시간을
정확하게 알 수 있는 능력은

이 우주를 탐험하는 데
혁신을 가져다 줄 것입니다.

이건 우주가 아주 소중하게 여기는
비밀의 일부를 해결하기 위한

한 열쇠일지도 모릅니다.

감사합니다.

(박수)