The solar wind bubble that protects Earth has been mapped for the first time

지구를 보호하는 ‘거품 형태의 태양풍’ 지도 첫 완성

이와 더불어 다양한 태양 탐사 계획이 추진되고 있다.

2009년, 천문학자들은 미국 항공 우주국(NASA)의 성간경계탐사위성(Interstellar Boundary Explorer, IBEX)을 이용하여 태양계와 성간우주(interstellar space) 사이에서 춤추듯 움직이고 있는 이상한 리본 형태의 구조를 발견했다.

IBEX 위성을 통해 망원경이나 맨눈으로는 보이지 않는 리본 형태의 구조를 발견하면서 과학자들은 태양계를 둘러싸고 있는 ‘태양권(heliosphere, 태양풍으로 형성된 거품 모양의 보호막)’을 이해할 발판을 처음으로 마련할 수 있었다.

이번에 천체물리학 저널(Astrophysical Journal)에 발표된 새로운 연구는 전체 태양권의 경계를 3차원 지도로 구현했다. 특히 이번 연구를 위해 수집된 데이터를 이용하면, 태양권을 비롯해 태양과 태양계 행성 간의 상호 작용을 연구하는 ‘헬리오물리학(heliophysics)’ 관련 탐사의 새 시대가 열릴지도 모른다.

이번 연구의 주 저자인 뉴멕시코 로스앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 대니얼 라이젠펠드(Daniel Reisenfeld) 수석 과학자는 “우주 공간에서 입자를 감지하는 기구 대부분은 하전 입자(charged particle)를 감지”한다고 말한다. 하지만 IBEX 위성은 특별하다.

IBEX 위성은 고에너지 중성 원자(energetic neutral atom, ENA)를 감지할 수 있다. ENA란 태양에서 방출된 후에 성간우주 내의 전자와 충돌하여 중성화된 이온을 뜻한다. 이러한 ENA는 우주 공간 어디에서든 발견될 수 있으며, 시간에 따른 ENA의 흐름을 관찰하면 태양권의 경계까지도 이미지로 구현할 수 있다.

그렇다면 IBEX 위성으로 발견했던 정체 불명의 리본은 대체 무엇이었을까? 과학자들은 그것이 밤하늘에서 거대한 띠 모양으로 빛나고 있던 ENA의 집합이라고 결론 내렸다.

IBEX 위성이 태양의 자기장 변화 주기인 11년 동안 ENA에 관해 수집한 데이터를 이용하여 연구진은 태양권의 전체 모습을 보여주는 3D 지도를 만들어냈다. 라이젠펠드는 태양권이 우주의 해로운 방사선으로부터 지구를 비롯한 다른 태양계 행성들을 보호한다고 설명한다.

그는 “지구에는 항상 우주 방사선, 특히 은하 우주선(galactic cosmic ray)이 쏟아지고 있다”라고 말한다. 이러한 우주 방사선은 주로 유럽이나 아시아에서 미국을 오가기 위해 극지방 근처를 비행하는 항공기에 미세한 영향을 미칠 수 있다.

과학자들은 태양권과 마찬가지로 다른 행성의 주위를 둘러싸고 있는 항성권(astrosphere)을 연구하려면 먼저 우리 태양계를 둘러싼 태양권을 이해할 필요가 있다고 말한다.

헌츠빌 앨라배마 대학교의 니콜라이 포고렐로프(Nikolai Pogorelov) 우주과학 교수는 “현재 개발되고 있는 수많은 물리적 모형들은 모두 IBEX 위성이 발견한 데이터를 기반으로 한다.”라고 밝히며, “이러한 연구는 실험에서 그치지 않고 실질적인 목적을 위해서도 사용될 것”이라고 덧붙였다.

라이젠펠드의 연구에서 발표된 지도가 태양권의 정확한 모형이라고 할 수는 없지만, 그것이 태양과 관련된 다른 탐사 임무를 수행하기 위한 출발점임은 분명하다. NASA의 마셜우주비행센터(Marshall Space Flight Center)는 현재 ‘태양 탐사선(Solar Cruiser)’을 위한 계획을 세우고 있으며, 2025년 중에 ‘성간우주매핑가속탐사선(Interstellar Mapping and Acceleration Probe, IMAP)’ 임무의 일환으로 이 태양 탐사선을 발사하려는 목표를 갖고 있다.

과학자들은 이미 태양 주위를 공전하는 우주선에서 보이는 풍경을 지도로 작성했으나, 우주 기상 예측과 더불어 이번 태양 탐사선의 목표 중 하나는 탐사선이 태양의 극지 위를 맴돌면서 IBEX 위성이 해낸 것처럼 향후 10년 동안 3D 지도 작성을 가능하게 하는 것이다.

NASA 헬리오물리학 부서의 프로그램 과학자 로샤나크 하킴자데(Roshanak Hakimzadeh)에 따르면, 해당 프로젝트는 천문학자들이 태양의 자전과 ‘코로나 물질 방출(coronal mass ejection, CME)’이라고 불리는, 태양 표면에서 일어나는 강력한 플라스마 분출 현상을 이해하는 데 도움을 줄 것이다.

기존 우주선은 액체 수소와 수소 가스를 결합하여 연료로 사용하지만, 이번 임무에 사용될 새로운 태양 탐사선은 ‘태양돛(solar sail)’ 기술을 사용할 예정이다. 따라서 일단 IMAP에서 분리된 이후에 탐사선은 태양 복사압을 이용하여 추진력을 얻으며 별들을 따라 항해하듯 나아갈 것이다. 1,700 제곱미터 크기의 이 탐사선은 지금까지 우주 공간을 비행한 태양돛 중에 가장 큰 비행체가 될 것으로 보인다.

앨라배마 대학교 천체 역학 및 우주 연구소(Astrodynamics and Space Research Laboratory)의 로한 수드(Rohan Sood) 소장은 “우리는 실현 가능성이 더 크고 더 경제적인 우주 탐사 임무를 수행하는 방향으로 나아가고 있다”라고 말한다.

마셜우주비행센터와 마찬가지로 수드가 이끄는 연구팀도 이번 태양 탐사선을 위한 경로 설계에 집중해 왔다. 이번 태양 탐사선은 지구와 태양의 중력이 상쇄되어 균형을 이루는 지점인 라그랑주점 L1 근처에서 태양을 관찰할 예정이다.

향후 예정된 태양 관련 탐사 계획들이 전체 우주에 대한 이해를 넓히는 데 도움을 줄 것인지는 확실하지 않다. 그러나 수드는 그러한 탐사 활동에서 태양계가 진화하는 방식을 이해할 중요한 단서를 얻을 수 있을 것으로 전망한다.

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