달의 남극

1. 개요

달의 남극은 달의 남극권 중심부에 위치하며, 섀클턴 크레이터 내에 달의 자전축으로 정의된 극이 위치해 있다. 달의 남극은 수십억 년 전 자전축이 이동하여 영구적으로 그늘진 지역과 햇빛에 노출된 지역이 공존하며, 남극-에이트켄 분지와 같은 다양한 크레이터와 9.050km 높이의 엡실론 봉우리와 같은 산을 포함한다. 달 남극은 콜드 트랩과 자기 이상 현상 연구의 대상이 되었으며, 루나 오비터, 클레멘타인, 루나 프로스펙터, 달 정찰 궤도선 등 다양한 탐사선들이 이 지역을 탐사했다. 특히 LCROSS 임무는 카베우스에서 물을 발견했으며, 최근에는 찬드라얀 3호가 달 남극 근처에 소프트 랜딩에 성공했다. 이 지역은 미래의 달 기지 건설에 적합한 자원과 조건을 갖추고 있어, 블루 오리진과 NASA의 아르테미스 계획 등 미래 탐사 및 관측의 중요한 목표 지점으로 여겨진다.

2. 지리

달의 남극은 남위 80°에서 90° 사이 지역을 말한다. 달의 남극은 수십억 년 전 원래 위치에서 5.5도 이동했다. 이러한 변화는 달의 자전축을 변화시켜 이전에 그늘졌던 지역에 햇빛이 도달하게 했지만, 남극에는 여전히 완전히 그늘진 지역이 있다. 반대로, 극지방에는 영구적으로 햇빛에 노출된 지역도 있다. 남극 지역은 남극-에이트켄 분지를 포함한 많은 크레이터와 분지를 특징으로 하며, 이는 달의 가장 기본적인 특징 중 하나로 꼽힌다. 또한 지구의 산보다 높은 9050m의 엡실론 봉우리와 같은 산도 존재한다. 남극의 평균 온도는 약 260,000이다.

2.1. 크레이터

달의 자전축으로 정의된 극은 섀클턴 크레이터 내에 위치해 있다. 달의 남극에 가장 가까운 주목할 만한 크레이터로는 데 제를라슈, 스베르드루프, 슈메이커, 파우스티니, 호워스, 노빌레, 카베우스 등이 있다.

3. 발견

달의 남극은 남위 80°에서 90° 사이의 남극권 중심부에 위치한다. 달의 자전축은 황도면에서 88.5도 기울어져 있다. 달의 남극은 수십억 년 전 원래 위치에서 약 5.5도 이동했는데, 이로 인해 달의 자전축이 변화하면서 이전에 그늘졌던 지역에도 햇빛이 도달하게 되었다. 그러나 남극에는 여전히 완전히 그늘진 지역과 영구적으로 햇빛에 노출된 지역이 공존한다. 남극 지역은 남극-에이트켄 분지를 비롯한 많은 크레이터와 분지, 그리고 지구의 어떤 산보다 높은 9.05km의 엡실론 봉우리와 같은 산을 특징으로 한다. 남극의 평균 온도는 약 260,000이다.

3.1. 조명

달의 남극은 크레이터 가장자리는 거의 지속적으로 태양 조명을 받는 반면, 크레이터 내부는 햇빛이 영구적으로 차단되는 특징을 보인다. 이 지역의 조명은 달 정찰 궤도선(LRO)의 데이터를 바탕으로 제작된 고해상도 디지털 모델을 사용하여 연구되었다. 달 표면은 태양풍을 고에너지 중성 원자 형태로 반사할 수 있는데, 평균적으로 이 원자들의 16%는 위치에 따라 양이 달라지는 양성자였다. 이 원자들은 달 표면에 존재하는 플라스마의 반사량으로 인해 후방 산란된 수소 원자의 적분 플럭스를 생성했다. 또한 달 표면에서 이 중성 원자 영역 내의 경계선과 자기 역학을 보여준다.

3.2. 콜드 트랩

콜드 트랩은 달 남극 지역에서 물 얼음 및 기타 휘발성 물질이 있을 가능성과 관련하여 중요한 장소 중 하나이다. 콜드 트랩은 원래 혜성, 운석 및 태양풍에 의해 유도된 철 환원 반응에서 발생한 물과 얼음을 포함할 수 있다. 실험과 샘플 판독을 통해 과학자들은 콜드 트랩에 얼음이 포함되어 있다는 것을 확인할 수 있었다. 수산화기 또한 이러한 콜드 트랩에서 발견되었다. 이 두 화합물의 발견은 전 지구적 규모의 적외선 감지를 사용하여 주로 달 극지방에 초점을 맞춘 임무에 대한 자금 지원으로 이어졌다. 얼음은 산란된 햇빛, 열 재방사, 내부 열 및 지구에서 방출되는 빛과 같은 열물리적 특성에 의해 제어되는 달의 열적 거동 때문에 이러한 트랩에 남아 있다.

3.3. 자기 표면

달 표면에는 자성을 띤 지역이 존재한다. 이는 남극-에이킨 분지 (SPA 분지)를 형성한 충돌체가 남긴 금속 철의 잔재로 인한 자기 이상 현상으로 알려져 있다. 그러나 분지에 있을 것으로 추정되는 철의 농도는 지도에 나타나지 않았는데, 이는 지표면에서 감지하기에는 달 지각 깊숙한 곳에 위치해 있기 때문일 수 있다. 혹은, 자기 이상 현상이 금속 성질과 관련 없는 다른 요인에 의해 발생했을 가능성도 있다. 이 연구 결과는 사용된 지도 간의 불일치로 인해 부적절한 것으로 판명되었으며, 달 표면에서 자기 변동의 크기를 감지할 수 없었다.

4. 탐사

달의 남극에는 섀클턴 크레이터를 비롯한 여러 크레이터들이 있다. 루나 오비터, 클레멘타인, 루나 프로스펙터, 달 정찰 궤도선, 가구야, 찬드라얀 1호 등 여러 국가의 달 탐사선들이 이 지역을 탐사했으며, 달의 물 존재를 발견하는 등 중요한 과학적 성과를 거두었다.

4.1. 임무

루나 오비터, 클레멘타인, 루나 프로스펙터, 달 정찰 궤도선, 가구야, 찬드라얀 1호 등 여러 국가의 달 탐사 궤도선들이 달 남극 주변 지역을 탐사하며 달의 물의 존재를 발견하는 등 광범위한 연구를 수행했다. NASA의 LCROSS 임무는 카베우스에서 상당한 양의 물을 발견했다. LCROSS는 의도적으로 카베우스 바닥에 충돌했으며, 샘플에서 약 5%의 물을 함유하고 있는 것으로 나타났다.

4.2. 달 정찰 궤도선 (LRO)

달 정찰 궤도선(LRO)은 2009년 6월 18일 NASA에 의해 발사되었으며, 현재까지 달 남극 지역을 지도 제작하고 있다. LRO는 달 남극 지역이 영구적인 유인 기지를 유지할 수 있을 만큼 충분한 지속 가능한 자원을 가지고 있는지 확인하는 데 도움을 주고 있다. LRO는 남극 표면의 방사선 및 열물리적 특성을 조사하는 디바이너 달 방사계 실험을 탑재하고 있으며, 이 장비는 반사된 태양 복사와 내부 적외선 방출을 감지하여 얼음이 표면에 갇힐 수 있는 곳을 감지할 수 있다.

4.3. LCROSS

NASA의 LCROSS 임무는 카베우스에서 상당한 양의 물을 발견했다. 이 임무는 의도적으로 카베우스 바닥에 충돌했으며, 샘플에서 약 5%의 물을 함유하고 있음을 발견했다.

달 분화구 관측 및 감지 위성(LCROSS)은 NASA가 운영하는 로봇 우주선이었다. 찬드라얀 1호에 의해 달의 물이 발견된 직후 발사된 LCROSS는, 달 극지방에서 감지된 수소의 성격을 결정하기 위한 저비용 수단으로 구상되었다. LCROSS의 주요 임무 목표는 달 극지방 근처의 영구 음영 분화구에 얼음 형태로 존재하는 물의 존재를 더 탐사하는 것이었다. 이 위성은 달 정찰 궤도선 (LRO) 및 켄타우루스 상단과 함께 발사되었으며, 달 남극의 분화구인 카베우스에서 물을 확인하는 데 성공했다.

4.4. 달 충돌 탐사선 (MIP)

달 충돌 탐사선(MIP)은 인도 우주 연구 기구(ISRO)가 개발한 달 탐사선으로, 찬드라얀 1호에 의해 2008년 10월 22일에 발사되었다. 달 충돌 탐사선은 2008년 11월 14일 20시 06분(인도 표준시)에 찬드라얀 1호에서 분리되어 약 25분 후, 섀클턴 분화구 가장자리에 계획대로 충돌했다. 이 임무를 통해 인도는 달 남극에 경착륙하거나 충돌한 최초의 국가가 되었다.

4.5. 루나 25

러시아는 2023년 8월 10일 달 착륙선 루나 25를 발사했다. 루나 25는 달까지 5일 동안 항해한 후, 5~7일 동안 달 궤도를 돌았다. 이후 보구슬라브스키 크레이터 근처인 달 남극 지역에 착륙할 예정이었으나, 착륙 전 궤도 진입 과정에서 "비상 상황"이 발생하여 GMT 기준 오후 2시 57분에 통신이 두절되었다. 루나 25는 착륙 기술을 증명하는 것이 주 임무였으며, 토양 샘플 채취를 위한 로봇 팔과 드릴 장비를 포함한 30kg의 과학 장비가 탑재되었다. 발사는 보스토치니 우주 기지에서 프로톤-M 로켓과 프레가트 상단을 사용하여 진행되었다.

4.6. 찬드라얀 3호

2023년 8월 23일 12시 34분 협정 세계시(UTC), 인도의 찬드라얀 3호는 달 남극 근처에 소프트 랜딩을 달성한 최초의 달 탐사선이 되었다. 찬드라얀 3호는 과학 실험을 수행하기 위한 착륙선과 로버로 구성되었다.

4.7. IM-1

IM-1 오디세우스 착륙선은 지구에서 달까지 약 6일 동안 이동하여, 2024년 2월 22일 오후 11시 24분(UTC)에 달에 착륙했다. 최초 착륙 목표는 달 남극에서 약 300km 떨어진 말라퍼트-A 크레이터였다. 오디세우스는 21세기에 미국이 달에 착륙시킨 최초의 탐사선이다.

4.7.1. 이글캠(EagleCam)

착륙 직전, 달 표면에서 약 30m 상공에서, 이글캠(EagleCam) 카메라가 장착된 큐브위성을 오디세우스 착륙선이 방출할 예정이었으며, 이는 착륙선 근처 달 표면에 약 10m/s의 충돌 속도로 떨어질 계획이었다. 그러나 소프트웨어 패치 문제로 인해 이글캠은 착륙 시 방출되지 않기로 결정되었다. 이후 2월 28일에 방출되었지만, 임무의 주요 목표였던 IM-1 착륙 후 이미지를 제외한 모든 유형의 데이터를 반환하는 부분적인 실패를 겪었다.

5. 미래 탐사 및 관측에서의 역할

달의 남극 지역은 미래 탐사 임무와 달 기지 건설에 적합한 곳으로 여겨진다. NASA의 달 궤도 레이저 고도계(LOLA) 데이터를 통해 섀클턴과 데 제를라슈 크레이터를 연결하는 능선에서 고도에 따라 92.27~95.65%의 시간 동안 햇빛을 받을 수 있으며, 가장 긴 어둠은 3~5일에 불과하다는 사실이 밝혀졌다.

달 남극은 30MHz 미만의 전파에 대한 독특한 천문학적 관측이 가능한 곳이다. 중국의 롱장 마이크로위성은 2018년 5월 달 궤도에 진입, 롱장-2는 2019년 7월 31일까지 이 주파수에서 작동했다. 지구 장비의 간섭파로 인해 이전에는 이 주파수 관측이 불가능했지만, 달 남극에는 지구를 향하지 않는 말라퍼트 산 남쪽과 같은 산과 분지가 있어 이러한 신호 수신에 이상적이다.

5.1. 자원

콜드 트랩은 달 남극 지역에서 물 얼음 및 기타 휘발성 물질이 존재할 가능성과 관련하여 중요한 장소이다. 실험과 샘플 판독을 통해 과학자들은 콜드 트랩에 얼음과 수산화기가 포함되어 있다는 것을 확인했다.

달 남극 지역은 미래의 탐사 임무에 매력적인 장소이자 달 기지로 적합하다. 달의 영구 음영 지역은 미래 탐험가에게 필수적인 자원인 얼음 및 기타 광물을 포함할 수 있다. 극지방 근처의 산봉우리는 오랫동안 햇빛을 받아 기지에 태양 에너지를 공급하는 데 사용할 수 있다.

NASA의 LOLA(Lunar Orbiter Laser Altimeter, 달 궤도 레이저 고도계) 데이터를 통해 섀클턴과 데 제를라슈 크레이터를 연결하는 커넥팅 능선(Connecting Ridge)의 남극 근처 위치에서 고도 2m에서 10m까지의 높이를 기준으로 92.27~95.65%의 시간 동안 햇빛을 받을 수 있음을 발견했다. 같은 지점에서 가장 긴 지속적인 어둠의 기간은 3~5일에 불과하다.

달 남극은 30 MHz 미만의 전파에 대한 독특한 천문학적 관측을 수행할 수 있는 장소이다. 달 남극에는 지구를 향하지 않는 말라퍼트 산의 남쪽과 같은 산과 분지가 있으며, 지상 전파 관측소에서 이러한 천문학적 전파 신호를 수신하기에 이상적인 장소이다.

태양광, 산소, 금속은 남극 지역의 풍부한 자원이다. 달 남극 근처에 달 자원 처리 시설을 건설하면 태양광 발전으로 거의 지속적인 운영이 가능할 것이다. 달 표면에 존재하는 것으로 알려진 원소에는 수소(H), 산소(O), 규소(Si), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 망가니즈(Mn) 및 티타늄(Ti) 등이 있다. 산소가 가장 풍부하며, 철과 규소도 비교적 많다. 산소 함량은 (무게 기준) 45%로 추정된다.

5.2. 미래

블루 오리진은 2024년경 달 남극 지역으로의 임무를 계획하고 있다. 블루 문 착륙선은 블루 오리진의 뉴 셰퍼드 준궤도 로켓에 사용된 수직 착륙 기술을 활용한다. 이를 통해 블루 문 착륙선을 사용하여 남극 지역의 크레이터에 유인 기지를 위한 장비를 착륙시키는 일련의 임무가 수행될 것이다.

미국 항공우주국(NASA)의 아르테미스 계획은 2025년 남극 지역에서 수행될 유인 착륙인 아르테미스 3호를 준비하기 위해 여러 로봇 착륙선과 로버(CLPS)를 착륙시킬 것을 제안했다.