‘태양의 북극과 남극은 어떻게 생겼을까. 지구처럼 태양의 극지도 상대적으로 온도가 낮을까’. 이 같은 궁금증을 풀어줄 태양 탐사선이 최근 미 플로리다주의 케네디우주센터에서 성공적으로 발사되었다.

‘솔라 오비터(Solar Orbiter)’라는 이름의 이 탐사선은 오는 2029년까지 태양 주위를 돌면서 태양과 가장 가까운 행성인 수성 궤도를 돌면서 태양의 극지를 관찰하는 임무를 수행할 예정이다.

태양 극지 관측을 위한 최초의 탐사선

솔라 오비터는 미 항공우주국(NASA)과 유럽 우주국(ESA)이 공동으로 개발한 태양 탐사선이다. 불과 1년 반 전에 태양 탐사선인 ‘파커 솔라 프로브(Parker Solar Probe)’가 발사됐기 때문에 태양에 어떤 문제가 있어서 가는 것인지를 궁금해하는 사람들이 많지만, 연이은 발사는 원래 예정되었던 계획이다.

파커 솔라 프로브 탐사선의 활동 예정 기간은 7년으로서, 태양에서 방출되는 플라스마의 흐름과 태양의 가스로 이루어진 대기층인 코로나를 탐사하는 것이 주요 목표다. 태양으로부터 약 3700만​㎞ 정도의 거리까지 접근하여 정보를 수집할 예정이다.

파커 솔라 프로브 탐사선은 7년 동안 △태양의 전기장과 자기장 변화를 연구하는 전자기장 실험 △태양풍과 코로나에서의 태양 에너지 하전입자 측정 △태양풍의 변화를 모니터링하는 광시야 이미징 장치 △태양풍의 전자나 양성자 같은 다양한 입자 측정 등 모두 4가지 과학 실험을 추진하게 된다.

반면에 솔라 오비터는 ​태양의 극지 상황을 조사하는 탐사선이다. 태양의 극지는 솔라 오비터에 앞서 발사된 7개의 탐사선이 한 번도 탐사하지 않았던 미지의 영역이다.

특히 태양의 극지는 어떤 망원경으로도 관측을 하지 못했다. 지구의 공전 궤도면이 태양의 적도와 나란히 배열되어 있는 상태라 극지방을 볼 수가 없다는 것이 전문가들의 의견이다.

그렇다면 이처럼 지구에서는 관측이 불가능한 영역을 탐사선까지 보내서 조사하려는 이유는 무엇일까. 그것은 극지가 태양의 태양풍 및 자기장의 활동에 숨어 있는 비밀을 파악하는 데 있어 매우 중요한 장소이기 때문이다.

태양은 핵융합에 따라 발생하는 플라스마의 영향으로 태양풍이 발생하면서 지구의 통신 시스템과 전력망에까지 막대한 영향을 미친다. 따라서 언젠가 불어닥칠 태양풍에 대비하기 위해 탐사선으로 태양의 상태를 분석해야만 한다.

태양의 자기장도 비슷한 이유다. 흑점이나 홍염, 플레어(flare)와 같은 태양의 활동 현상은 태양의 자기장에 의해 일어나는 것으로 알려져 있기 때문에 자기장의 지속적 관측은 필수적이다.

이를 위해 솔라 오비터에는 태양의 코로나와 태양풍을 촬영할 수 있는 관측 장비는 물론, 자기장과 태양풍, 그리고 태양의 에너지 입자 등을 측정할 수 있는 10여 가지의 분석 장비가 탑재되어 있다.

NASA의 관계자는 “태양 극지는 태양에서 뿜어져 나오는 바람인 태양풍의 발원지”라고 밝히며 “태양풍과 자기장은 지구에 미치는 영향 외에도 태양의 비밀을 고스란히 간직하고 있는 만큼, 태양계 탄생의 비밀을 해결해 줄 것으로 기대를 모으고 있다”라고 말했다.

태양풍과 자기장의 변화 지속 관측 예정

솔라 오비터는 현재 태양과 가장 가까운 행성인 수성을 향해 날아가고 있다. 지구와 금성의 중력을 이용하는 중력도움비행(flyby) 방식으로 비행하다가 수성 궤도 안으로 진입하면 본격적으로 태양 극지를 관측하게 된다.

플라이바이 방식으로 날아가면서 서서히 각도를 틀게 되면, 수성 궤도에 진입했을 때 태양 적도와 일정한 각도가 발생하여 태양의 남북극을 관측할 수 있다는 것이 NASA와 ESA 측의 구상이다. 당초 계획대로라면 솔라 오비터는 2025년 3월부터 2029년 7월까지 4번에 걸쳐  태양 극지 궤도를 통과하게 된다.

솔라 오비터는 앞서 발사된 파커솔라프로브 탐사선보다 태양을 기준으로 약간 먼 위치에서 관측 활동을 벌이게 된다. 거리는 약간 더 멀어도 태양의 뜨거운 열은 비슷하기 때문에 이를 이겨낼 수 있는 소재로 둘러싸여 있다.

수성은 태양에 가장 근접했을 때의 거리가 4600만km 정도인데, 이때 수성 표면은 납을 녹일 수 있을 정도인 섭씨 430℃까지 올라가게 된다. 이 같은 온도에 견딜 수 있도록 솔라오비터에는 다양한 열차폐 기술이 탑재되어 있다.

솔라 오비터의 소재 분야 개발을 주로 담당한 ESA는 태양이 내뿜는 뜨거운 열로부터 솔라 오비터를 보호하기 위해 특수한 열차폐막 소재인 ‘솔라 블랙(Solar Black)’을 개발했다. 인산칼슘으로 코팅된 티타늄 소재인 솔라블랙은 열 차폐막 가장 바깥에 적용됐다.

그리고 열에 민감한 전자 관측 장비가 실려있는 탐사선 내부는 5cm 두께의 알루미늄이 감싸고 있다. 독특한 것은 알루미늄이 벌집 구조로 이루어져 있다는 점인데, 이는 다시 30개 층의 저온 단열재로 감싸여 있기 때문에 300℃ 정도의 온도는 충분히 견딜 수 있다는 것이 ESA 측의 설명이다.

ESA의 관계자는 “솔라 블랙은 태양이 내뿜는 자외선과 적외선 양에 관계없이 열을 흡수하는 데 탁월하고 녹거나 부서지지 않도록 제작되었다”라고 밝히며 “이런 소재로 만들어졌기 때문에 솔라 오비터는 수성 궤도를 돌며 태양을 관측하는 임무는 충분히 수행할 수 있을 것”이라고 기대했다.