기획·칼럼

태양 탐사선의 현재와 미래

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] NASA의 디스커버리 프로그램(5) 제네시스

태양은 우리 태양계의 중심에 있는 항성으로서 지구의 생명체를 위해서 가장 중요한 천체 중 하나이다. 태양은 전자기파 즉 빛뿐 아니라 매우 작은 알갱이들도 날려보낸다. 이들은 주로 양성자와 전자 등의 미립자들로 이루어지며 태양의 상부 대기층에서 방출되는 전하 입자의 흐름을 태양풍(solar wind)이라고 한다. 

태양풍에 포함된 수많은 이온들이 지구에 도달하게 되어서 지구 극지방 상층대기와 상호작용하게 되면 오로라를 형성하게 된다. 혜성 역시 태양풍의 존재를 간접적으로 증명해 준다. 혜성은 먼지와 이온으로 구성된 먼지 꼬리와 이온 꼬리를 가지고 있는데, 이중 이온 꼬리는 혜성이 태양에 근접할 때 태양풍으로 인해서 태양 반대 방향으로 형성이 된다.

태양풍은 크게 온도와 속도에 따라서 두 가지로 구분이 되는데, 둘 다 태양의 코로나와 연관이 깊다. 보다 빠르고 온도도 높은 태양풍은 태양의 극지 코로나의 구멍에서 기원한다고 알려져 있다. 반면, 보다 느리며 온도도 낮은 태양풍은 적도의 코로나 구멍에서 나온다고 알려져 있다.

태양을 관찰하기 위한 최초의 인공위성의 발사는 이미 1950년대에 시작되었다. 초반의 탐사선들은 주로 지구의 궤도와 가까운 곳에서 태양을 돌면서 태양풍과 자기장에 관해서 연구하기 시작했다.

1970년대에 들어서서 미국과 독일이 공동으로 쏘아 올린 스카이랩 아폴로 망원경과 헬리오스 탐사선은 태양의 코로나에서 방출하는 물질들에 관해서 연구하기 시작했고 이는 현재 태양풍과 아주 밀접한 관계가 있다는 것을 밝혀냈다.  

현재까지 가장 성공적이었던 태양탐사선을 뽑자면, 1995년 유럽 우주국과 NASA가 합작해서 쏘아 올린 소호 태양 및 태양권 관측 위성(Solar and Heliospheric Observatory) 이다. 12개의 주 관측 장비 각각 태양 전체나 일부를 독립적으로 관측 가능한 소호 위성은 이미 4000개가 넘는 혜성을 새롭게 발견해서 혜성잡이라는 별명을 지니고 있다. 

제네시스(Genesis) 탐사선 프로젝트는 NASA의 다섯 번째 디스커버리 프로그램으로 선정되었는데, 태양풍 그리고 혜성 등의 시료를 채집한 후 무사히 지구에 귀환하는 목적으로 시작되었다. 따라서 제네시스 탐사선은 태양풍의 구성 원소들을 채집하는 초고순도의 채집판을 탑재했다.

제네시스 탐사선의 예상도 © NASA/JPL

채집 면적을 최대화하기 위해서 탐사선의 곳곳에 채집판을 분산 배치했는데, 대부분의 채집판들은 태양풍에 그냥 노출되어서 시료를 채집할 목적으로 설계되었다. 이외에도 특수한 형태의 태양풍이 발생할 경우를 대비해서 시료들을 독립적으로 채집하기 위한 설계도 진행되었다. 채집판의 대부분은 규소로 구성되어 있었는데, 이는 고순도 제조기술 그리고 태양의 열적 특성인 복사율이나 흡광도 등의 다양한 요인들을 고려한 후 채택되었다.

태양계 형성은 최소 50억 년 전 수소와 헬륨을 중심으로 성운이 만들어진 후 형성되었다고 알려져 있다. 태양계의 행성, 미행성, 소행성 및 혜성 등에 있는 3종의 산소 동위원소, 즉 O-16, O-17 그리고 O-18의 비율이 매우 다른데 이는 각각의 천체들의 형성 조건들이 다르기 때문으로 보인다.

지구자기권의 간섭을 벗어난 지역의 태양풍 표본을 채집할 수 있다면, 태양의 내부 원소 및 동위원소 구성비를 알 수 있다. 따라서, 이는 원시 태양의 구성 성분을 추정하는 데 도움을 줄 수 있으며, 궁극적으로 태양계의 진화과정에 관한 수수께끼를 풀어줄 수 있다.

2001년 8월 발사된 제네시스 탐사선은 태양을 향해서 대략 150만 km가 넘는 거리를 여행한 뒤  L1 지점(지구에서 태양 쪽으로 160만 킬로미터 나아간 지점)에서 태양이 내뿜는 미립의 하전입자 등을 채집하기 시작했다. 임무는 성공적으로 잘 진행되었다. 2년여 동안 채집된 대부분의 태양풍의 원소들은 지구로 안전하게 귀환 되어 존슨 우주센터에서 연구되고 보존되는 것이 궁극적인 목표였다. 따라서 2004년 9월 제네시스 탐사선이 수집한 캡슐이 지구로의 귀환이 계획되어 있었다. 

헬기 조종사가 공중에서 대기하고 있다가 캡슐의 낙하산을 잡아채서 안전하게 회수할 계획이었지만 캡슐이 대기권에 도달했을 시 낙하산이 펴지지 않았다. 따라서 총  중량이 200kg 가까이 되던 캡슐이 순간 시속 300km가 넘는 속도로 유타주 사막에 그대로 추락해버렸고 모래 속 2m 깊이까지 처박혀버렸다. 또한 캡슐 안에 있는 컨테이너에 균열이 생겨서 깨져버렸다. 

제네시스 탐사선 캡슐의 유타 사막 추락 모습 ©NASA/JPL

하지만 다행히 캡슐 잔해에서 상당량의 물질들은 크게 손상을 입지 않았고 손바닥 크기의 5개의 디스크의 표본들을 중심으로 연구가 시작되었다. 결과적으로 지구나 운석 등에서 쉽게 발견되는 산소의 동위원소 0-16가 풍부하다는 사실을 알게 되었고 이로 인해서 태양계 탄생 시의 산소는 3종의 산소 동위원소 중 0-16임을 알게 되었다.

NASA는 2019년 8월 파커 태양 탐사선(Parker Solar Probe)을 발사했고 태양 근접 비행에 마침내 성공했다. 파커는 태양 주변의 자기장이 갑자기 방향을 바꾸는 현상을 발견했고 이는 태양풍의 가속에 영향을 미친다는 점을 알아냈다. 태양으로부터 지구까지의 거리의 1/10 정도도 되지 않는 곳에서부터 우주 먼지가 감소하는 현상도 처음으로 확인했다. 거리에 따른 먼지가 줄어드는 비율을 고려할 때는 태양에서 몇백만 km 떨어진 지역까지는 먼지가 전혀 없을 것으로 예상되었다. 이는 태양이 내뿜는 전자기파와 태양풍의 영향 때문으로 파악된다.

파커 탐사선의 예상도©NASA/JPL

우주 탐사선의 지구로의 귀환은 상당히 어려운 고급 기술이다. 기본적으로 지구를 나갈 때보다 들어올 때 훨씬 더 어렵다. 소량의 연료로 우주를 장기간 계속 비행해야 하며 재발사와 속도 변화로 인한 충격과 열을 잘 견뎌야 한다.

태양 탐사는 더 어렵다. 태양 주변을 가까이 돈다는 것은 엄청난 고온을 견뎌야 한다는 말과도 같기 때문이다.  파커 탐사선이 계획대로 2024년 태양 최근접 비행을 하게 되면 탐사선이 받는 온도가 무려 1400도까지 올라가기에 내부 장비 온도는 영향을 받지 않아야 한다.

하지만 태양 탐사는 계속되어야 한다. 특히나 태양풍 프로젝트는 지구의 전력망과 통신망을 안전하게 유지하는 데 큰 도움을 줄 수 있다. 태양풍의 요동을 예측할 수 있다면 태양 대기에서의 플레어 현상으로 인한 예상치 못한 전력망 및 통신망 붕괴 현상을 예방할 수 있기 때문이다.

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