학생 제작장비로 우주 미스터리 풀어

지구 주위를 둘러싼 방사선 벨트에 있는, 에너지를 지닌 잠재적으로 해로운 입자들이 어디서 유래했는지는 지난 60년 동안 해결되지 않은 우주 미스터리 중 하나였다. 이 의문이 미국 콜로라도대(보울더) 학생들이 만들어 운영하는 신발상자 크기의 위성 자료를 통해 해결됐다.

알려져 있다시피 지구 주위에는 반 알렌 대(Van Allen Belts)라고 불리는 방사선 벨트가 있다. 바깥 벨트와 안쪽 벨트 두 개(생겼다 없어지는 세번 째의 벨트도 발견)로 이루어진 이 방사선 벨트는 지구자기장에 의해 형성된 띠로, 그 안에 에너지를 가진 입자들이 갇혀 있다.

지구 상공 1000~1만2000㎞ 상공에 형성된 안쪽 벨트에는 지구 외부에서 들어오는 우주선(宇宙線)에 포함된 중성자가 상층 대기 분자와 충돌해 생긴 양성자와, 운동에너지를 가진 전자 등이 분포한다. 그런데 이 과정에서 생긴 전자 등의 실체를 확인하지 못해 지금까지 미스터리로 남아있었다.

반 알렌 대 안쪽 벨트의 전자 직접 확인

과학저널 ‘네이처’(Nature) 13일자에 발표된 이번 논문의 저자인 콜로라도대 대기 및 우주물리 연구소(LASP) 진린 리( Xinlin Li) 교수는 “안쪽 방사선 벨트(주로 내부 가장자리 부근)의 에너지를 지닌 전자들은 초신성 폭발 때 생겨난 우주선에 의해 생성된다”고 말했다.

연구팀은 지구 대기권으로 들어오는 우주선이 ‘우주선 알베도 중성자 붕괴’(CRAND) 과정에서 중성 원자들과 충돌해 지구자기장에 갇히는 전자들을 포함해 하전된 입자를 생성하는 ‘스플래시’(splash) 현상을 만든다는 사실을 밝혀냈다.

리 교수는 이번 발견이 지구 근처 우주공간(near-Earth space)에 에너지를 지닌 전자가 도달하는 것을 이해하고 잘 예측하는데 기여할 것이라고 말했다. 이 전자들은 인공위성을 손상시키고 우주선 바깥에서 작업하는 우주비행사들의 건강을 해칠 수 있다.

그는 “우리는 지구 방사선 벨트의 안쪽 가장자리 근처에서 에너지를 지닌 전자를 처음으로 직접 탐지했다”며, “마침내 60년 동안 가려져 있던 미스터리를 풀었다”고 말했다.

입체적으로 본 반 알렌 대 그림. 안쪽 벨트에는 양성자, 바깥 벨트에는 전자가 많이 분포해 있다. Credit: NASA

1958년 반 알렌 대가 발견된 직후 미국과 러시아 과학자들은 CRAND가 지구자기장에 갇힌 고에너지 양성자의 원천일 가능성이 있다는 결론을 내렸다. 그러나 지난 수십년 동안 중성자가 붕괴할 때 생성돼야 하는 전자를 찾아내는데 아무도 성공하지 못 했었다.

학생들이 위성과 관측장비 제작해 운영

이번 연구에 쓰인 자료를 제공한 ‘콜로라도 학생 우주 기상실험(CSSWE)’으로 불리는 큐브샛(CubeSat)은 태양의 에너지를 지닌 양성자와 지구 방사선 벨트의 전자 흐름을 조사하기 위해 작은 에너지 입자 망원경을 장착했다. 2012년에 시작된 CSSWE는 65명 이상의 학생들이 참여해 캠퍼스 LASP 빌딩 옥상에 지상관제소를 짓고 2년 이상 운영했다.

REPTile(Relativistic, Electron and Proton Telescope integrated little experiment)로 불린 CSSWE의 소형 장비는 LASP 소장이자 논문 공저자인 다니엘 베이커(Daniel Baker)교수가 개발한 REPT의 소형 버전이다. 이 장비는 NASA의 2012년 반 알렌 대 탐사 임무 때 발사됐었다.

미 콜로라도대(보울더) 학생들의 장비 제작 모습. 수십 명의 학생들이 참여해 만든 작은 위성과 관측장비를 이용해 반 알렌 대 안쪽 벨트의 에너지 입자를 찾아내는데 성공했다. CREDIT: University of Colorado

베이커 교수는 “이번 연구는 멋진 결과와 함께 비용이 매우 적게 든 학생들이 만든 위성에서 커다란 통찰을 얻어냄으로써 ‘좋은 물건은 작은 포장에서 나온다’는 말을 상기시킨다”고 말했다. 그는 이번 성과가 “과학자들이 예측했던 모든 것이 거기에 함께 있었다는 것을 확인한 중요한 발견으로서 ‘단지 보는 것만으로 많은 것을 관찰할 수 있다’는 야구선수 요기 베라의 말이 옳다는 것을 증명해 준다”고 덧붙였다.

“지구 인근 우주공간 환경에 대한 이해 향상”

연구를 지원한 미 국립과학재단의 대기 및 지구공간 과학부 이르판 아짐(Irfan Azeem) 프로그램 책임자는 “이번 연구 결과는 처음으로 지구 인근 우주공간에서 에너지를 가진 하전 입자들이 어떻게 생성되는가를 밝혀냈다”고 말했다.

아짐 박사는 “이번 발견은 지구 인근 우주공간 환경에 대한 이해를 크게 향상시킬 것”이라며, “중요한 과학적 발견의 중심에 학부와 대학원 학생들이 과학재단의 지원으로 만든 CubeSat이 있다는 것은 매우 흥분되는 일”이라고 찬사를 표했다.