학습/코칭

물리법칙을 거스르는 태양의 비밀 코로나

인류 역사상 가장 빠른 탐사선, 코로나 조사에 나서다



-이 기사는 진로진학 매거진 <나침반 36.5도> 10월호에 실린 내용입니다.
-더욱 다양한 기사는 <나침반 36.5도>를 통해 확인할 수 있습니다.

2018 지난 8월, 첫 태양 탐사선 ‘파커’가 우주를 향해 힘찬 비행을 시작했다. 이 탐사선은 접근조차 어려운 미지의 영역, 태양의 비밀을 풀기 위한 막대한 임무를 가지고 떠났다. 학자들은 이번 탐사를 통해 인류 역사상 최초로 태양 대기에 진입할 것이라고 설명했다.

‘파커’는 태양 대기 속으로 들어가 태양 대기 가장 바깥층을 구성하고 있는 코로나를 조사한다. 또한 지구에 통신시스템 장애를 일으키는 태양풍의 원인에 대해서도 파헤칠 예정이다. 과연 행성을 넘어 태양까지, 인류의 우주정복 신화는 계속될 수 있을까?

인류가 만든 가장 빠른 물체, 파커의 미션은 ‘태양에 닿기’


파커 탐사선의 속도는 시속 69만km, 미국 시카고에서 중국 베이징을 단 1분 만에 주파할 수 있는 엄청난 속도다. ‘인간이 만든 가장 빠른 비행물체’로 꼽히는 파커는 10월 금성을 지나 11월 태양 궤도에 진입한다.

파커 탐사선은 첫 일주 때 태양에서 2500만km까지 다가가고, 최고로는 태양 표면으로부터 약 600만km 이내까지 접근할 계획이다.

이는 1976년 NASA의 헬리오스 2호가 4300만km까지 접근한 최근접 기록을 단숨에 갈아치우는 엄청난 기록이 될 수 있다. 파커 탐사선은 향후 7년간 태양 주위를 24차례 돌며 임수를 수행한다.

NASA는 엄청난 태양의 고온을 견디기 위해 파커 탐사선 표면에 2.4m 크기의 ‘열 방패’를 장착했다. 이 열 방패는 ‘열보호시스템(TPS)이라고 불리며, 탄소 강판 사이에 탄소 복합재를 넣어 만든 절연체이다. 외부에는 흰색 세라믹 페인트를 칠해 열을 반사할 수 있도록 했다. 두께는 11cm밖에 되지 않지만 최대 화씨 3천 도(섭씨 1650도)를 견딜 수 있으며, 실내온도를 30도 안팎으로 유지할 수 있다.

파커 탐사선이 조사할 태양 코로나의 온도는 최대 1000만도지만 선체에 가해지는 온도는 2500도 정도로, 탐사선이 태양궤도를 돌 때마다 점점 더 태양 표면에 가까워진다. 이번 탐사선은 60년 전 태양풍의 존재를 예측한 유진 파커 박사의 이름을 따 지었으며, 이 사업에는 15억 달러(약 1조 7천억 원)이 투입됐다.

파커 탐사선의 숙제, ‘코로나’

코로나는 태양의 빛나는 플라스마 대기를 가리킨다. 우리가 생각하는 태양의 표면이 ‘광구’라면 그 광구 밖으로 태양의 대기라고 할 수 있는 코로나와 채층이 존재하는 것이다. 코로나는 태양의 표면인 광구로부터 약 1천300만km 정도 퍼져있다. 채층은 특별한 필터를 사용하거나 달이 태양을 완전히 가리는 개기일식 때 볼 수 있지만, 코로나는 오로지 개기일식 때만 관찰할 수 있다.

이 코로나가 우주학자들의 관심을 한몸에 받고 있는 이유는 바로 ‘온도’ 때문이다. 태양 표면의 온도는 고작 5천도 밖에 되지 않는데, 코로나는 무려 2백만 도나 된다. 우리가 빛을 내는 전구를 생각했을 때, 빛을 발하는 전구의 중심으로부터 멀어질수록 온도가 낮아지고, 전구의 표면보다 전구 바깥으로 갈수록 온도가 떨어진다는 것은 기본 상식이다.


그러나 코로나는 이 물리학의 법칙을 거스른다. 바깥으로 갈수록 뜨거워져 채층의 온도는 1만도 정도고, 코로나는 그보다 훨씬 더 높게 나타난다.

또한 코로나가 크게 확장할 때 코로나의 범위는 태양계의 바깥인 천왕성까지 닿을 정도로 엄청나다. 따라서 코로나로 인해 태양은 우리 눈에 보이는 곳보다도 훨씬 더 먼 영역까지 영향을 끼치게 되는 것이다.

태양 표면보다 뜨거운 코로나의 비밀

코로나의 미스터리는 1930년대 후반 천문학자들에 의해 발견됐다. 천문학자들이 코로나를 분광기로 관찰한 결과 철, 니켈, 칼슘과 같은 원소가 높은 이온화 상태에 있다는 것 역시 발견했다. 이들 원소는 온도가 최소 1백만도 이상 되어야 이온화 상태로 존재할 수 있다. 그렇다면 무엇이 코로나를 달구는 것일까? 여기에는 두 가지 유력한 이론이 있다.

파동 가열

파동 가열 이론은 쉽게 말해 파동으로 코로나 에너지를 전달한다는 것이다. 파동을 통해 태양 내부에서 코로나로 에너지가 전달된다는 것이다. 마치 줄넘기의 한쪽을 잡고 위아래로 흔들면 파동이 생겨나 줄을 따라 에너지가 반대쪽 끝으로 전달되는 것과 같은 원리다.

자기 재결합 이론

자기 재결합 이론은 태양 자기장이 코로나 속에서 전류를 유도한다는 것이다. 이 과정에서 유도된 전류는 갑작스럽게 사라지며, 이때 전기 에너지가 코로나의 열 에너지로 전환된다는 것이다. 이 과정을 ‘재결합’이라고 한다. 태양 표면에 항상 존재하는 조그만 규모의 자기장이 코로나를 가열시키고 있는 원인이라는 것이다. 학자들은 이를 ‘자기장 카펫’이라고 부르고 있다.

태양 가까이 접근해 연구하겠다는 계획은 이미 오래전부터 시작됐다. 1958년부터 관련된 연구가 본격적으로 진행됐으니 말이다. 그러나 모든 물체가 녹아버릴 정도로 뜨거운 태양에 가까이 가는 것은 쉽지 않은 일이었다.
 
따라서 이번 파커 탐사선의 출발에 천문학자와 물리학자들이 거는 기대는 매우 크다. 파커 탐사선의 임무 성공 여부에 따라 우주과학의 최대 난제였던 태양의 비밀을 풀어갈 열쇠를 쥘 수 있을지 없을지가 달라지기 때문이다. 과연 막중한 임무를 가지고 태양으로 떠난 파커 탐사선은 어떤 결과를 가지고 돌아올까.

정보 플러스+ | 플라스마(Plasma)

물체의 상태는 흔히 고체, 액체, 기체 상태로 나뉜다. 그러나 이보다 더 고온의 상태가 되면 주변으로부터 많은 에너지를 흡수한 전자가 원자로부터 떨어져 나온다. 전자를 잃은 원자는 양이온 상태가 된다. 이처럼 고온에서 이온과 전자가 뒤섞인 상태를 제4의 물질, 플라스마라고 한다. 우리가 볼 수 있는 우주의 약 99%는 플라스마 상태로 되어 있다. 그 중 대표적인 것이 바로 태양이다.

*사진 출처=클립아트코리아

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