The Science Times

우리 태양은 물리적으로 지구에서 가장 가까운 항성이다. 따라서 현실적으로 우리가 자세히 탐구할 수 있는 유일한 항성인 셈이다. 태양에서 나오는 열에너지원은 지구의 생명체와 환경에  없어서는 안 될 소중한 보물이지만 태양의 변화가 지구에 어떠한 변화를 유발하는지에 관해서는 자세히 알려진 것이 없다.

올해 초 독일을 주축으로 유럽우주항공국(ESA)과 미국우주항공국(NASA)은 이를 탐구하기 위해서 솔라 오비터 탐사선(Solar orbiter probe, SolO)을 발사했다. 위 탐사선의 궁극적인 목표는 태양의 변화에 따른 지구의 변화를 연구함이기에 주로 태양플레어, 태양풍 그리고 태양 자기장의 변화 등이 지구에 미치는 영향을 탐구하게 된다.

솔라 오비터의 태양 촬영 상상도 ©ESA/NASA

솔라 오비터에는 태양의 대기와 극점 등을 관찰할 수 있음은 물론이고 태양의 자기장과 태양풍 등의 입자 등을 측정할 수 있는 최첨단 도구가 장착되어 있다. 특히나 태양의 극지방을 탐구하여 자세한 이미지를 촬영하는 것은 솔라 오비터의 가장 중요한 임무 중의 하나인데, 이는 태양의 강한 자기장에 대한 이해를 높일 수 있기 때문이다.

독일의 막스플랑크 태양계연구소 (Max Planck Institut für Sonnensystemforschung)의 연구소장 사미 솔란키(Sami Solanki)교수는 이에 관해서 “현재까지의 지식으로 자기장이 태양의 거의 모든 활동에 영향을 미치고 있다는 것은 알고 있지만, 자기장 자체가 어떻게 생산되는지는 모르기 때문입니다.”라고 설명했는데, 이처럼 태양의 자기장은 탐구될 가치가 충분하다.

이를 비롯해서 그동안 수수께끼처럼 풀리지 않는 태양의 신비한 점들이 많이 존재한다. 예를 들어서 태양의 표면 온도는 대략 5500도 정도로 비교적 뜨겁지 않은 온도이지만, 태양의 대기 특히 가장 바깥 대기인 코로나의 온도는 완전히 다르다. 200~500배 높은 백만도 이상의 매우 뜨거운 대기로 구성되어 있다. 미국의 물리학자 유진 파커(Eugene Parker)는 ‘코로나가열’ 현상에 관해서 수많은 미니플레어가 태양의 코로나를 뜨겁게 만들 수 있는 가열 메커니즘을 설명할 수 있을 것이라고 예측했다.

솔라 오비터는 발사 직후부터 약 3개월 동안 금성과 수성 궤도 주변에서 시운전을 시작함과 동시에, 인산칼슘으로 코팅된 열 차폐막과 함께 화씨 970도까지 견딜 수 있는 최첨단 과학 장비들을 본격적으로 가동하기 시작했다. 지난 5월 말 솔라 오비터는 태양으로부터 표면에서 7700만 km 떨어진 현재 궤도에서의 근일점에 도달했고 ‘극자외선 이미저(Extreme Ultraviolet Imager)’로 태양을 촬영했다. 위 촬영은 현재까지의 태양 사진 중 가장 가까운 곳에서 촬영된 것이다.

솔라 오비터가 촬영한 태양의 모습들 © ESA/NASA

특히, 솔라 오비터는 수많은 미니 플레어를 정확히 촬영했다. 벨기에 왕립 천문대 (Royal Observatory of Belgium)의 데이비드 버그만(David Berghmans) 박사는 “태양은 언뜻 봤을 때는 조용해 보일 수 있지만, 자세히 들여다보면 아주 작은 불꽃들이 사방에 있다는 걸 알 수 있습니다” 라고 밝히며 이를 ‘캠프파이어’라고 명명했다. 그는 “가장 작은 ‘캠프파이어’는 빛을 받아들이는 단위 센서 (픽셀) 두 개의 크기밖에 되지 않습니다. 이는 대략 400km에 해당하고 일부 유럽국가의 크기만 합니다. 하지만 더 작은 ‘캠프파이어’가 존재할 수도 있습니다.” 라고 밝혔다.

아울러 ESA 솔라 오비터 EUI 책임 연구원인 데이비 롱(David Long) 박사는 “최근접 이미지에 더해서 태양 표면을 자세히 보여준 것은 매우 인상적입니다. ‘캠프파이어’의 작은 폭발들은 지구에서 관측하던 태양 폭발의 수백만 분의 1 크기입니다”라고 밝혔다. 이 미니플레어 현상들에 관한 더 자세하고 후속적인 연구가 곧 시작될 전망인데 코로나가열 현상에 관한 궁극적인 메커니즘을 설명해 주리라 기대된다.

솔라 오비터가 촬영한 태양의 미니플레어(흰색 화살표)의 모습 © ESA/NASA

위 이미지로 인하여 우리가 알고 있던 태양의 모습이 약간 변화될 전망이다. 데이비 롱 박사는 “우리가 보고 있는 부분은 태양의 아주 작은 부분이기에, 태양의 미니플레어들은 태양 전역에 존재할 만큼 흔할 것입니다.” 라고 예측했다.

위 사진은 현재까지의 사진 중 태양에서 가장 가깝게 촬영된 사진이지만, 가장 고해상도는 아니다. 하와이의 할레아칼라 천문대에 위치해있는 Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) 망원경은 지구상에서 가장 큰 태양 관측 망원경으로 태양 관측 망원경과 탐사선 중 가장 고해상도를 자랑하기 때문이다.

현재까지 태양의 가장 고해상도 촬영 사진 © DKIST/The National Solar Observatory

하지만 솔라 오비터는 특별하다. 4개의 현장 장비는 태양으로부터 나오는 입자들과 자기장을 관측함과 동시에 6개의 원격감지장비 역시 함께 작동하기 때문이다. 다른 망원경에서는 기대할 수 없는 장점이다.

유럽항공우주국의 솔라 오비터 프로젝트 과학자 다니엘 뮬러(Daniel Müller)는 “첫 촬영 사진들은 정말 기대한 것 이상입니다. 이전에는 자세히 관측할 수 없었던 매우 흥미로운 현상을 암시해 주는 사진들이 다양합니다. 탐사선에 탑재된 총 10대의 최첨단 과학장비들이 잘 작동하고 있으며 태양과 태양풍에 관한 종합적인 탐구를 이끌어 주고 있습니다.”라고 평가했다.

이제 첫 시작일뿐이다. 솔라 오비터는 앞으로 대략 7~8년간 활동할 예정이다. 솔라 오비터는 현재 태양풍을 가열하고 가속화하는 에너지의 흐름을 추적하고, 플라스마와 자기장의 구조 등을 탐색하고 있는 NASA의 파커탐사선(Parker Solar Probe)과 함께 작동하고 있다. 솔라 오비터의 촬영은 현재 인류가 가진 기술의 한계점까지 접근하게 된다. 궁극적으로는 수성 궤도 안쪽 대략 4300만km의 거리까지 접근하게 될 전망이다. 파커탐사선은 솔라 오비터보다 태양에 더 가깝게 다가갈 것이지만, 태양과 매우 가까운 초고온의 가혹한 환경에서는 촬영이 이루어지지 않을 전망이다.

태양에서는 대규모의 태양풍 폭발 현상(코로나 질량 방출 Coronal mass ejection, CME)이 일어난다. 이는 가벼운 동위원소 플라스마를 포함한 엄청난 규모의 물질이 일시에 방출되는 현상인데, 갑작스러운 이 고에너지 폭발은 빠른 속도로 지구에 도달하게 되어 이는 지구 자기권을 교란시키게 된다. 결국 대규모 정전 등과 같은 통신장애를 야기하는데 안타깝게도 현재까지 이를 예측할 방법이 없다. 최첨단 장비를 갖춘 솔라 오비터는 궁극적으로 이러한 현상의 과학적인 해석과 궁금증을 해소시켜줌으로써 인류에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

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