플라이바이 변칙

개요

이 변칙이 특별한 것은 두 가지 때문이다. 첫째, 어긋남의 크기가 무작위가 아니라 들어오고 나가는 궤도의 기하학에 따라 깔끔한 규칙성을 보인다는 점. 둘째, 한때 비슷하게 신비로웠던 파이오니어 변칙이 2012년 열복사 모형으로 말끔히 해결된 것과 달리, 플라이바이 변칙은 30년이 넘도록 합의된 물리적 원인을 찾지 못하고 있다는 점이다. 단순한 계산 실수인가, 아니면 우리가 모르는 무언가가 지구 근방의 궤도에 작용하는가 — 이것이 핵심 질문이다.※

배경 — 중력도움 항법

행성 간 탐사선은 자체 연료만으로 도달할 수 있는 속도가 제한적이다. 그래서 행성의 중력장과 공전 운동을 이용해 추진제 없이 속도를 바꾸는 중력도움(스윙바이, 플라이바이) 기법을 쓴다. 탐사선이 행성 곁을 쌍곡선 궤도로 스쳐 지나가면, 행성에 대한 상대 속력(쌍곡선 초과속도, hyperbolic excess velocity)은 들어올 때와 나갈 때가 같지만, 태양 기준 관성계에서 보면 행성의 공전 운동이 더해져 탐사선이 에너지를 얻거나 잃는다.※

지구 플라이바이는 이 항법의 정밀도를 검증하기에 이상적인 무대다. 지구의 중력장·자전·대기·조석은 인류가 가장 잘 아는 물리량이고, 탐사선의 위치와 속도는 DSN의 도플러 추적과 거리측정(ranging)으로 수 mm/s 단위까지 확인할 수 있다. 항법사들은 비행 전후의 궤도를 정밀하게 모델링해 잇고, 그 두 궤도가 만나는 지점의 속도 차이를 본다. 플라이바이 변칙은 바로 이 '들어온 궤도'와 '나간 궤도'를 이으려 할 때, 정설 모형만으로는 채워지지 않는 미세한 틈으로 나타난다.※

타임라인

1. 1990-12-08
   갈릴레오 1차 지구 플라이바이 — 도플러 데이터에서 약 +3.92 mm/s 변칙 첫 포착
2. 1992-12-08
   갈릴레오 2차 플라이바이 — 저고도(약 303km)라 대기항력과 뒤섞여 해석 곤란
3. 1998-01-23
   니어(NEAR) 플라이바이 — 최대 변칙 약 +13.46 mm/s 검출
4. 1999-08-18
   카시니 플라이바이 — 약 −2 mm/s 변칙 보고
5. 2005-03-04
   로제타 1차 플라이바이 — 약 +1.82 mm/s 변칙 검출
6. 2008
   앤더슨 등, 6개 플라이바이를 한 경험식으로 정리해 《Physical Review Letters》 발표
7. 2007·2009
   로제타 2·3차 플라이바이 — 유의미한 변칙이 사실상 검출되지 않음(≈0)
8. 2013-10-09
   주노(Juno) 지구 플라이바이 — 예측 속도와 일치, 변칙 없음

변칙의 정체와 측정 — 앤더슨 경험식

변칙이 단순한 잡음이 아니라는 가장 강력한 증거는 2008년 NASA 제트추진연구소(JPL)의 존 앤더슨(John D. Anderson) 등이 발표한 경험식이다. 이들은 갈릴레오·니어·카시니·로제타·메신저 등에서 얻은 여섯 차례 플라이바이의 속도 변칙을 분석해, 변화량이 다음과 같은 단순한 꼴에 잘 들어맞음을 보였다.※

ΔV∞ / V∞ = (2 ω_E R_E / c)·(cos δ_in − cos δ_out) = 3.099 × 10⁻⁶ ·(cos δ_in − cos δ_out)

여기서 V∞는 쌍곡선 초과속도, δ_in과 δ_out은 들어오는·나가는 점근 속도 벡터의 지심 적위(declination)이며, ω_E는 지구 자전 각속도, R_E는 지구 반지름, c는 광속이다. 상수 3.099×10⁻⁶은 (2 ω_E R_E / c)를 그대로 계산한 값으로, 자전하는 지구의 적도속도와 광속의 비에서 나온다.※

핵심 의문

플라이바이 변칙의 어려움은 세 갈래의 의문이 서로 얽혀 있다는 데 있다. 첫째, 효과가 실재하는가. 변화량은 100만분의 1 수준이라 측정 오차로 치부할 수도 있지만, 여러 독립적인 탐사선·추적국·분석팀이 도플러와 거리측정 양쪽에서 같은 효과를 본 점은 단순 오차로 설명하기 어렵게 만든다.※

둘째, 왜 어떤 플라이바이는 변칙을 보이고 어떤 것은 보이지 않는가. 니어는 크게 나타났고 주노는 전혀 나타나지 않았다. 만약 새로운 물리 효과라면 왜 이렇게 선택적으로 작동하는가. 셋째, 앤더슨 식의 적위 의존성과 자전·광속이 결합한 상수는 무엇을 가리키는가. 이 규칙성이 진짜 단서인지, 아니면 제한된 데이터에 우연히 맞아떨어진 패턴인지 — 후속 플라이바이의 불일치는 답을 더 흐려 놓았다.※

가설

측정·모형화 오차

미지의 중력·상대론 효과

암흑물질·수정 관성

현재 상태 — 여전히 미해결

현재 학계의 평가는 신중하다. 변칙이 실재하는 효과인지, 아니면 정교한 측정·모형화 잔차인지조차 완전히 합의되지 않았다. 주노 플라이바이에서 변칙이 사라진 것은 어떤 가설에는 결정타가, 다른 가설에는 단서가 되었지만, 데이터 수가 적다는 근본 한계는 그대로다. 새 플라이바이가 자주 일어나는 사건이 아니기 때문이다.※

이 때문에 STE-QUEST처럼 정밀 시계와 추적을 탑재한 전용 임무로 효과의 실재 여부를 가리자는 제안이 나와 있다.※ 그날이 오기 전까지 플라이바이 변칙은 천체역학 교과서의 여백에 남는다 — 인류가 가장 잘 안다고 믿는 지구 중력장 한복판에서, 초속 몇 밀리미터의 설명되지 않는 틈이 여전히 벌어져 있는 것이다.

출처

1. Flyby anomaly — Wikipedia
2. Anomalous Orbital-Energy Changes Observed during Spacecraft Flybys of Earth (Anderson et al. 2008, Physical Review Letters)
3. Anomalous accelerations in spacecraft flybys of the Earth (Acedo, 2017)
4. Flyby Anomaly: The Unexplained Phenomenon Affecting Several NASA Spacecraft — IFLScience
5. A Bizarre Spacecraft 'Flyby Anomaly' Has Been Baffling Scientists for 30 Years — Vice
6. Support for the Thermal Origin of the Pioneer Anomaly (Turyshev et al. 2012, Physical Review Letters)
7. The effect of general relativity on hyperbolic orbits and its application to the flyby anomaly