우주탐사기의 시간과 공간을 둘러싼 모험

우주탐사기의 시간과 공간을 둘러싼 모험

--현재를 어떻게 정하는가?--

 

 

 

 

■ <현재>를 어떻게 해서 정하는가?

 

태양계를 여행하는 탐사기의 운용에서는 지구상의 안테나를 써서 탐사기와 신호를 매일 송수신하고 있지만, 때로는 그 거리가 수 백 킬로에 미치는 경우도 있다. 이들 신호는 탐사기에 도착하기까지 그리고 지구로 돌아오기까지에 광대한 우주 공간과 시간을 여행하고 오는 것이 되는데 이에서 여러 가지 재미있는 것을 알 수 있다. 한편 탐사기를 의도한 대로 운용하기 위해서는 고생이 있는 것 같다.

 

■ 화성 탐사기와의 <일기>의 교환

 

구주우주기관（ESA）의 시몬 우드(Simon Wood) 씨는 화성탐사기 <마스 엑스프레스（Mars Express)에 근무하는 기술자의 한 사람이다. 마스 엑스프레스는 2003년에 쏘아올린 역사가 있는 임무로서 시몬 씨는 오랜 동안 이 일을 해왔다. 시몬 씨는 마스 엑스프레스에 대하여 숙지하고 있지만 그래도 통신에는 언제나 문제가 있었다고 한다. <혹성 간의 임무를 컨트롤 하는 데는 인내가 요구된다. 탐사기를 조작하는 명령을 보내어도 탐사기에 닿을 때까지 오랜 시간이 걸리고 그 명령이 잘 갔는지 어떤지 알기에는 또 같은 시간이 걸린다. <곧>이라는 것이 전혀 없다. 마치 편지를 주고받는 것과 같다. 탐사기에 해주기를 바라는 것을 적는 것인데 그것이 닿아서 읽을 때까지 서로 빈 상태이다. 편지가 되돌아오면 화성에서 무엇이 일어났는지를 알 수 있는데 그 때는 이미 최신의 상태가 아니다.>고 시몬 씨는 설명한다. <편지>가 중복하는 것을 피하기 위하여 마스 엑스프레스와의 통신은 시간을 비워 둘 정도 마무리고 행해져서 하루에 한 번, 마스 엑스프레스 팀은 과거 24시간의 상황을 받는다. 그 날의 <일기>와 같은 것이다.

 

■ <현재>라는 시간은 존재하지 않는다.

 

마스 엑스프레스처럼 탐사기를 운영하는 팀이 대응하지 않으면 안 될 이러한 문제에는 물리학자 아인슈타인의 <특수상대성이론>의 기초로 되어 있는 <빛의 속도보다 빨리 운동할 수 있는 것은 존재하지 않는다.>라는 사실이 관계하고 있다. 탐사기를 조작하는 명령은 전파를 써서 보내진다. 전파도 빛의 일종으로 주파수로는 약 30헬스에서 약 300기가헬스까지 파장으로 표현하면 1밀리미터에서 1만 킬로미터인 것까지 있는데 탐사기의 명령은 주파수나 파장에 따르지 않고 초속 30만 킬로미터라는 속도로 진행해 나간다. 지구와 화성의 위치 관계에 따라 신호가 화성에 닿을 때까지 4분에서 25분 정도 걸리기 때문에 가서 돌아올 때까지의 시간을 생각하면 대략 1시간을 생각할 필요가 있다. 그런 때문에 우리가 아는 <화성에서 무엇이 일어나고 있는지>라는 정보는 화성으로서는 과거의 것이고 이것이 <지금>이란 언제인지를 정하는 것을 어렵게 하고 있다. 그런 의미로 우주탐사기의 임무에서 실제 시간으로 일어나고 있다는 것은 거의 없다.

일상의 정상처리가 되는 운용에서는 일련의 명령을 탐사기에 송신하고 수일간, 경우에 따라서는 수 주간 사이 운용을 계속할 수 있게 한다. 이들 명령으로는 탐사기가 가지고 있는 시각인 이라는 것을 사용하고 있다. Spacecraft Event Time은 탐사기에 탑재되어 있는 컴퓨터에 근거하는 시각이다. 그러나 이것은 우리들이 생각하는 시계와는 달라서 컴퓨터 안의 장치가 독자로 초침을 재깍재깍 움직이고 있는 것과 같아서 그것을 그대로 지구의 시각으로 할 수는 없다. 그런 때문에 탐사기의 운용에 사용하는 소프트웨어로 인간이 해석할 수 있는 시각으로 별환하고 있다.

대표적인 것은 <협정세계시（Universal Time Coordinates: UTC）>라 불리는 것으로 이것은 영국의 그리니치천문대를 기준으로 한 <그리니치 표준시(평균시)（GMT）와 거의 같은 시각으로 한국하고는 9시간의 시차가 있다.(UTC와 GMT는 개념적으로는 다른 것이다.)

한편 시계는 놓아두면 조금씩 느려지는 성질이 있다. 마스 엑스프레서의 경우는 태양과의 거리에 응하여 온도가 변하고 그에 따라 시계가 빨라지거나 느려지거나 한다. 그런 때문에 정확한 시각을 유지하기 위해서는 지구의 시각과 정기적으로 동기 시킬 필요가 있고 마스 엑스프레스의 경우는 통상은 주에 1회 동기처리를 행하고 있다. 역시 동기시각은 탐사기의 임무에 한하지 않고 일반기업이나 은행의 서비스 온라인으로 사용하는 각종 서비스를 제공하는 컴퓨터로도 일반적으로 행해지고 있다. 마스 엑스프레스의 오페래션스 마네쟈(Operations Manager.RW/사업을 운영하기 위하여 관리하는 사람)인 제임스 고드푸레이(James Godfrey) 씨는 <지구에서 송신한 명령이 탐사기에 닿아서 그 신호가 지구에 돌아와서 명령이 접수된 것이 확인되기까지 최단 8분 걸린다. 길지만 무엇인가 다른 일을 할 정도도 아니고 초조한 시간이다.>고 말하고 있다. <길 때는 20분 혹은 50분 정도가 되는 때도 있고 차를 마시거나 점심을 먹는 충분한 긴 시간의 오페레이션（operation/작전）으로는 환영하지만>

 

■ 지구를 돌고 있는 인공위성에서도 <지금>이 중요하다.

 

마스 엑스프레스처럼 먼 우주를 여행하는 탐사기가 아니라 지구를 도는 인공위성의 경우도 천천히 일을 할 수 있는 것은 아니다. 지구를 도는 Sentinel-1 위성의 오페레션스 엔지니어인 토마스 옴스톤(Thomas Ormston) 씨는 <인공위성과 통신하고 있을 때는 화성의 임무처럼 티타임 같은 것은 없다. 그러나 지구를 도는 궤도에 있는 위성에 대응할 수 있는 지상국의 수에 한정이 있기 때문에 1일 1회나 2회밖에 통신할 수 없다.>고 말한다. <주의 깊이 준비 계획할 것, 그리고 팀워크라는 점에서는 같다는 것이다. 이것은 지구에 가까운 궤도에서는 우주 쓰레기를 피한다는 1인가 8인가의 게임에 대응하기 위하여 특히 중요하다.>

 

■ 태양의 중력이 시간을 <먹는다.>

 

태양의 거대한 질량은 주위를 도는 빛을 굽히고 만다.

탐사기의 운용에 영향을 끼치는 것은 탐사기와의 거리만이 아니다. 탐사기가 태양과 같은 무거운 천체에 어느 정도 가까운지 하는 것도 중요해진다. 태양탐사기 <솔라 오비터(Solar Orbiter, SolO)>는 태양에 접근하여 관측하는 탐사기인데 태양과 같은 큰 질량을 가진 천체에 가까울수록 시간과 공간이 지구 부근과는 달라진다. 이것은 도대체 어떤 것일까?

솔라 오비터의 프라이트 콘트롤러(Fliht Controller)의 일원인 다니엘 라키(Daniel Lakey) 씨는 <지구와 태양 사이에 빛이 왕복하는데 약 16분 걸린다는 것을 고려하는 것만이 아니라 시간에 무엇이 일어나는지를 생각할 필요가 있다.>고 말한다. <솔라 오비터가 태양의 중력에 끌려감에 따라 ‘중력에 의한 시간의 느려짐(늘어남)’의 영향이 시작된다.> 이 흥미로운 효과는 시계가 중력원에 가까울수록 시간이 천천히 나간다는 것이다. 상대성이론에 따른 이들 효과는 매우 작고 <이상의> 정확한 시계가 있다고 하면 솔라 오비터의 임무의 10년간으로 지구의 시계에 비하여 3초 정도 <잃어버린다.>는 계산이다. 그렇다 해도 그런 이상의 시계는 존재하지 않고 거의 시계에는 어떤 시간의 어긋남이 발생하여 그것이 탐사기의 운용에 영향을 끼친다. 그런 때문에 상대성이론이 예측하는 시간의 느려짐을 포함하여 탐사기에 빛이 닿는 시간을 정확히 계산하기 위하여 시각의 동기를 정기적으로 행하여 시계의 어긋남을 수정하고 있다.

태양의 주위에서는 예를 들면 고무로 된 시트에 무거운 공을 놓았을 때처럼 공간. 시간에 어긋남이 생긴다.(상대성이론에서는 시간과 공간을 같이 생각하여 <시공>이라고 표현한다.)

솔라 오비터의 경우는 임무의 과학적 목표에 영향을 끼칠 정도는 아니지만 이 어긋남에 따라 신호가 탐사기에서 지구에 닿을 때까지의 거리에 약간의 차가 나게 된다. 비행역학의 전문가인 데이비드 안탈 워크스(David Antal-Wokes) 씨는 <탐사기의 위치와 속도를 측정할 때는 지구의 시계와 탐사기의 시계와의 차를 수정하는 데에 시공의 어긋남의 효과를 고려할 필요가 있다. 그것은 곧 명령의 송신이나 실행하는 시각을 정하는 데에 영향을 끼친다는 것이다. 과학자 팀에게는 기기의 데이터가 제공되지만 그 데이터는 천체역학에 관하여 우리들이 이해하는 한 최고의 정도(精度)로 만들어 지는 것이다.>라고 말하고 있다.

 

==========*솔라 오비터(Solar Orbiter, SolO)

구주우주기관(ESA)의 태양관측위성이다. 2020년 2월 10일(UTC)에 케네디 우주센터에서 아트라스V로 쏘아 올렸다. 지구에서 관측하기 어려운 태양의 극지방을 상세히 관측하고 내태양풍과 태양풍의 발생과정의 측정을 목적으로 하고 있다. 어느 쪽이든지 <태양이 어떻게 태양권을 만들고 제어하고 있는지>하는 물음에 답하는 것이다. 위키페디아=====

 

출처=news.yahoo.co.jp › articles

일본어원문=宇宙探査機の時間と空間をめぐる冒険：「現在」をどうやって決めるか？

필자=기타코시 야쓰노리(北越康敬)

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