December 14,2018

태양 수수께끼, 해답 찾을까

파커 태양 탐사선 8월초 발사

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역사상 태양에 가장 가까이 근접할 미국의 파커 태양 탐사선(Parker Solar Probe)이 8월 초  미국 플로리다주 케이프 캐나버널 공군기지에서 발사될 예정이다.

소형 차 크기 정도의 이 탐사선은 델타IV  헤비 로켓에 실려 발사된 뒤 16주 만에 태양 궤도에 진입해 7년 동안 태양에 대한 각종 탐사임무를 수행하게 된다.

발사를 10여일 앞둔 지난 7월 20일 파커 태양탐사 프로젝트 과학자인 미 존스 홉킨스 응용물리학연구실 니키 폭스(Nicky Fox) 박사와 미 항공우주국(NASA) 고다드 우주비행센터 알렉스 영(Alex Young) 박사가 NASA의 케네디 우주센터에서 TV 기자회견을 갖고 파커 탐사선의 과학적 탐사 목적과 기술을 소개했다.

영 박사는 “우리는 수십 년 동안 태양을 연구해 왔다”며, “이제 마침내 그곳으로 가서 행동으로 옮길 때가 왔다”고 말했다. 동영상

지구를 떠나는 NASA의 파커 태양 탐사선 상상도.  CREDIT: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

지구를 떠나는 NASA의 파커 태양 탐사선 상상도. CREDIT: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

태양, 엄청난 에너지 입자 발산

태양은 우리가 그냥 눈으로 보는 것과 달리 훨씬 복잡하다. 겉보기에 꾸준하고 별다른 변화가 없는 원반처럼 보이지만 실제로는 역동적이며 강력한 자기력을 지닌 별이다.

태양의 대기는 끊임없이 자화된 물질들을 외부로 내보내고, 명왕성을 넘어서까지 우리 태양계를 감싸며 그 과정에서 태양계 안의 모든 세계에 영향을 미친다.

자기 에너지 고리들은 빛과 입자 복사를 폭발시켜 이것이 우주공간을 통해 전달돼 우리 지구 대기에 일시적인 혼란을 일으키고, 때때로 지구 근처의 무선과 통신신호를 왜곡시킨다.

지구와 다른 태양계 행성들에 미치는 태양의 영향은 통틀어 우주 기상으로 알려져 있으며, 이 우주 기상의 기원을 이해하는 핵심은 곧 태양 자체를 얼마나 이해하느냐에 달려있다.

폭스 박사는 “태양 에너지는 언제나 우리를 지나치며 흐르고 있다”고 말했다.

그는 “태양풍은 비록 눈에 보이지는 않지만 아름다운 오로라가 극지방을 감싸고 있는 것에서 알 수 있듯, 대기로 흘러드는 엄청난 양의 에너지와 입자들”이라며, “불어오는 태양풍의 메커니즘을 아직 정확히 이해하지 못 하기 때문에 이를 발견하기 위해 탐사에 나서는 것”이라고 설명했다.

각종 에너지 입자와 전자기장이 방출되는 태양의 표면 모습. 동영상 캡처. CREDIT: NASA's Goddard Space Flight Center

각종 에너지 입자와 전자기장이 방출되는 태양의 표면 모습. 동영상 캡처. CREDIT: NASA’s Goddard Space Flight Center

세 가지 수수께끼 해답 찾을까?

탐사선은 태양을 원격 또는 현장에서 직접 연구할 수 있는 일련의 장비들을 싣고 간다. 이같은 첨단장비들로부터 얻는 자료들은 태양에 대한 세 가지의 근본적인 의문에 대한 답을 찾는데 도움을 줄 것으로 보인다.

첫 번째는 태양풍의 가속에 대한 미스테리 즉, 태양의 끊임없는 물질 유출이다. 우리는 대체로 태양풍의 기원에 대해 어느 정도 파악을 하고 있으나 태양풍이 초음속으로 가속되는 지점이 어디인가는 아직 모르고 있다.

데이터에 따르면 이러한 변화는 태양 대기의 가장 바깥 가스층인 코로나에서 일어나는 것으로 추정된다. 파커 탐사선은 태양 대기층을 직접 통과할 예정이며, 과학자들은 원격과 현장 측정으로 그 같은 일이 어떻게 일어나는지를 밝힐 계획이다.

두 번째는 코로나의 엄청난 고온에 대한 비밀도 풀어볼 계획. 눈에 보이는 태양 표면의 온도는 화씨 약 1만도(섭씨 5,538도)이나, 코로나는 이보다 수백배나 더 뜨거워 화씨 수백만도까지 올라가기도 한다. 하지만 그 이유를 아직 모르고 있다.

태양의 에너지는 중심부에서 생성되기 때문에 바깥 대기층인 코로나가 표면보다 이렇게 고온이라는 사실은 우리 직관으로 이해되지 않는다. 폭스 박사는 “마치 캠프화이어에서 멀리 떨어져서 걸었는데도 훨씬 더 뜨거워진 것과 같은 양상”이라고 비유했다.

마지막으로 파커 탐사선 장비들은 태양의 에너지 입자가 가속화되는 이면의 메커니즘을 밝히는 작업도 수행한다. 이 에너지 입자들은 태양에서 발사되자마자 빛 속도의 절반보다 빠른 속도에 도달한다. 이 에너지 입자들은 인공위성의 전자장치 특히 지구 자기장 바깥에 있는 위성의 전자장비에 간섭을 일으킨다.

태양 대기에 근접해 가는 파커 탐사선 일러스트. 동영상 캡처. CREDIT: NASA's Goddard Space Flight Center

태양 대기에 근접한 파커 탐사선 일러스트. 동영상 캡처. CREDIT: NASA’s Goddard Space Flight Center

네 가지 첨단탐사장비 갖춰

이러한 의문을 풀기 위해 파커 탐사선은 네 가지 장비 세트를 사용하게 된다.

하나는 캘리포니아 버클리대에서 주도하는 필즈(FIELDS) 제품군으로, 탐사선 주위의 전기장과 자기장을 측정한다. FIELDS는 하이 타임 해상도로 태양권 안쪽의 파동과 난기류를 포착해, 자기장 선이 폭발적으로 재정렬하는 과정인 파동과 충격 및 자기장 재연결과 관련된 장들을 파악해 볼 계획이다.

위스퍼(WISPR) 장비는 파커 태양 탐사선의 광시야 이미징 장치(Wide-Field Imager for Parker Solar Probe)의 약자로, 탐사선에 탑재된 유일한 영상장치다.

위스퍼는 태양으로부터 뿜어져 나오는 코로나의 질량 분출(CMEs)과 제트 및 다른 분출물로부터 나오는 영상을 담아내, 거대한 코로나 구조에서 발생하는 현상을 태양 근접 환경에서 직접 포착한 세부 물리적 측정치와 연결시키는 작업을 돕게 된다. 위스퍼는 워싱턴 D.C.의 해군연구소가 주도한다.

스위프(SWEAP; Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation의 약자)는 태양풍과 코로나 플라즈마에 대한 이해를 증진하기 위해 태양풍에서 가장 풍부한 입자인 전자와 양성자 및 헬륨 이온을 계산하고 가속도와 밀도, 온도 등을 측정하는 장비로, 두 개의 보완장비를 사용한다. 스위프는 케임브리지 소재 미시간대와 캘리포니아 버클리대 및 스미소니언 천문관측소에서 주도한다.

마지막으로 이지스(ISʘIS) 장비는 태양의 통합 과학 조사(Integrated Science Investigation of the Sun)를 뜻하는 약어로 ʘ 표시는 태양을 상징하는 표시다. 이 장비는 광범위한 에너지 영역에서 나오는 입자를 측정한다. 전자와 양성자 및 이온들을 측정함으로써 이들이 어디에서 유래하고, 어떻게 가속되며, 행성 간 우주공간을 통해 태양으로부터 어떻게 이동하는지 등 입자들의 생애주기를 이해하는데 도움을 얻게 된다.

파커 태양 탐사선과 같은 태양 탐사 임무는 수십년 동안 과학자들의 오랜 숙원이었다. 최근 기술의 발달로 첨단 방열판과 태양전지판, 오류관리시스템이 적용됨으로써 꿈이 현실화됐다.  CREDIT: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

파커 태양 탐사선과 같은 태양 탐사 임무는 수십년 동안 과학자들의 오랜 숙원이었다. 최근 기술의 발달로 첨단 방열판과 태양전지판, 오류관리시스템이 적용됨으로써 꿈이 현실화됐다. CREDIT: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

기술 발달로 뜨거운 태양도 탐사 가능

파커 태양 탐사선은 제작에 60년이 걸렸다. 우주시대 초기부터 인류는 태양계에 강력한 영향을 미치는 태양의 모든 차원에 대해 호기심을 갖게 되었다.

1958년에 물리학자 유진 파커(Eugene Parker)는 태양풍을 이론화한 획기적인 과학논문을 발표했다. 이번 태양 탐사 임무는 그의 이름을 따 명명했고, NASA의 우주 탐사 임무에서 처음으로 살아있는 사람의 이름을 붙였다.

지난 몇 십년 동안 기술이 크게 발달하면서 파커 태양 탐사가 이제 현실화하게 됐다. 이 같은 과감한 우주 탐사가 가능하게 된 것은 세 가지의 주요 기술에 힘 입은 바 크다. 최첨단 방열판과 태양전지 냉각시스템, 향상된 오류 관리 시스템이 그것이다.

존스 홉킨스 응용물리 연구실의 파커 태양 탐사 프로젝트 매니저인 앤디 드라이스먼(Andy Driesman) 박사는 “방열 시스템이 이번 우주 임무를 가능하게 한 기술 중 하나”라며, “이를 이용해 우주선이 상온에서 작동 가능하게 됐다”고 말했다.

탐사선이 태양에서 약 620만Km 떨어진 궤도를 돌 때 방열판 혹은 차폐막은 섭씨 1400도 정도까지 올라가지만 탐사선은 섭씨 29도 정도 되는 것으로 알려진다.

파커 탐사선의 방열시스템(TPS; thermal protection system)은 일종의 탄소 샌드위치로, 97%가 공기인 4.5인치 두께의 탄소 발포체를 탄소 복합체가 감싸고 있는 형태다. 지름이 거의 8피트에 달하지만 경량 소재를 사용해 무게가 160파운드(72.6㎏)에 지나지 않는다.

파커 탐사선의 방열판은 탄소 복합재로 만든 패널 두 개로 구성돼 있다. 가능한 한 우주선으로부터 태양 에너지를 멀리 반사시키기 위해 태양을 향한 쪽에는 특별하게 흰색 코팅을 했다. Credits: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

파커 탐사선의 방열판은 탄소 복합재로 만든 패널 두 개로 구성돼 있다. 가능한 한 우주선으로부터 태양 에너지를 멀리 반사시키기 위해 태양을 향한 쪽에는 특별하게 흰색 코팅을 했다. Credits: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

통신 끊겨도 스스로 오류 수정

다른 중요한 혁신은 태양전지판 냉각시스템과 내장된 오류 관리 시스템이다. 태양전지 냉각시스템은 태양의 강렬한 열 부하에도 무리 없이 전력을 생산토록 하고, 오류 관리 시스템은 우주선이 장기간 지구와 통신할 수 없는 상태에서도 우주선을 보호할 수 있도록 돼 있다.

파커 탐사선의 오류관리 시스템은 방열판 그늘의 모든 가장자리 주위에 배치된 7개의 태양 센서로부터 들어오는 자료를 이용해 탐사선이 지구와 통신할 수 없는 상태에서도 장기간 우주선을 보호한다.

만약 문제가 발견되면 탐사선이 지구와 접촉하지 않을 때도 코스를 자체적으로 정정할 수 있고, 과학장비를 시원하게 유지해 장기간 기능할 수 있도록 보장한다.

델타 IV 헤비 로켓은 세계에서 가장 강력한 로켓 중 하나지만 파커 탐사선은 상대적으로 작은 경차 정도 크기다. 그러나 크기가 작더라도 태양 가까이까지 가서 궤도에 진입하기 위해서는 발사시 많은 에너지가 필요하다.

왜냐 하면 지구에서 발사된 물체들은 지구의 공전 속도(초당 18.5마일)와 같은 속도로 태양 주위를 돌기 시작하기 때문에 방향을 바꿔서 태양 가까이 가기 위해서는 엄청나게 빠른 속도로 반작용 힘을 발휘해 공전 모멘텀을 벗어나야 한다.

파커 태양 탐사선이 발사될 미국 케이프 캐나버럴 발사 기지 모습.  Credits: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

파커 태양 탐사선이 발사될 미국 케이프 캐나버럴 발사 기지 모습. Credits: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

8 오후 5~7(한국) 발사 예정

파커 탐사선의 발사 시기는 8월 초를 전후한 2주 동안으로 미국 동부시간으로 새벽 4~6시 사이다(우리나라 시간 오후 5~7시). 발사 시기는 첫 번째 중요 목표인 금성 궤도에 정확하게 진입시키기 위해 선정되었다.

탐사선의 궤도를 디자인한 존스 홉킨스 응용물리 연구실의 얀핑 구오(Yanping Guo) 박사는 “태양까지 도달하는데 필요한 에너지는 화성에 가는데 필요한 에너지보다 55배나 많고 태양계 맨 끝의 명왕성에 도착하는데 필요한 양의 두 배에 달한다”며, “여름 동안에 탐사선을 태양으로 보낼 수 있도록 지구와 다른 태양계 행성들이 가장 이상적으로 정렬한다”고 설명했다.

탐사선은 최대시속 70만Km로 비행해 8주 만에 금성 궤도에 도달할 예정이다. 금성 궤도에서는 보조 중력장치를 작동해 궤도 에너지 망을 벗어나 다시 8주를 더 항해한 뒤 태양 궤도에 진입한다. 파커 탐사선에 앞서 지난 1976년 미국과 독일 합작 탐사선인 헬리오스 2호가 태양 표면으로부터 4300만Km까지 다가갔었다.

파커 탐사선은 태양 표면에서 불과 3800만 마일(620만Km) 떨어진 궤도를 돌며 7년 동안 임무를 수행하는 과정에서 코로나 속으로도 6회 이상 진입을 시도할 계획이다.

NASA 본부 과학임무부 토머스 주르버킨(Thomas Zurbuchen) 박사는 “우리는 태양을 연구함으로써 태양 자체보다 더 많은 것을 배울 수 있다”며, “또한 은하와 우주와 생명의 기원 등을 통해서도 다른 모든 별들에 대해 더 많이 알 수 있다”고 말했다.

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