▲ © 전문가들이 비행을 대기하는 파커탐지기를 점검하고 있다. 사진/ NASA

[글/ 짱텐칸(張田勘)] 미국국가항공우주국(NASA)의 파커태양탐지기는 미국 동부시간 8월 12일 새벽 3시 31분에 미합중국발사연맹의 Delta-4중형로켓이 플로리다주 케이프커내버럴 공군기지에서 성공적으로 발사되어 하늘로 날아올라가 기간이 7년이 되는 태양을 쫓는 여정을 시작했다. 이번 탐색은 인조우주설비가 처음으로 가장 가까운 거리에서 태양의 대기층에 도달하는 것이다.  

3대임무 

왜 태양을 탐색하는가? 이것이 모든 사람들의 질문이다.  

태양을 추적하고 탐색하는 것은 온갖 저항이 있을 뿐만 아니라 리스크가 매우 높다. 파커는 하나의 우주비행선, 즉 우주설비인데 제조비는 15억 달러로서 이번에 그가 태양을 탐방하는 여정은 태양의 대기층에 진입하는 것이다. 그러나 태양의 표면일지라도 최저온도는 섭씨 4,500도에 달하는데 이 조건아래에서 육신이든 무쇠처럼 단단하든 태양의 대기층에 들어가기 전에 순식간에 잿더미로 된다.  

그러므로 파커는 태양을 접촉하는 것이 아니고 더욱이 태양에 입맞춤을 하는 것이 아니라 단지 태양의 변두리에 가서 관망하는 것인데 기간은 7년이 되는 기나긴 탐측여정이다. 잘못하면 파커는 태양의 고온에 삼켜지게 된다. 그러므로 이번 인류와 약속한 장소로 가는 것은 긍정적으로 낭만적이고 아름다울 리가 없지만 그러나 매우 의의가 있다.  

태양과 데이트를 하려면 당연히 우선 태양계의 이 ‘큰 형님’의 현재상황, 외모와 내적 함의를 잘 알아야 할 뿐만 아니라 더 나아가서 8대행성과 이 집주인 항성과의 관계를 알아야 한다. 가장 중요한 것은 이 ‘큰 형님’ 항성의 지구에 대한 영향을 알아야 하는데 정확하게 말하면 태양이 지구상의 인류와 기타 동물에게 어떻게 작용을 하는지 알아야 한다.  

오늘날의 사람들은 지구만물의 생존이 태양의 비춤 등 상식에만 만족하는 것이 아니라 태양의 구조 외에도 태양의 활동을 알려고 한다. 현재 태양 활동에만 많은 관심을 돌리는 초점이 있는데 예를 들면 태양흑점, 태양면 폭발, 태양풍, 코로나 질량 방출, 태양자기장, 행성간 자기장, 자기파와 행성궤도, 태양주기, 흑점주기와 태양자기역전주기 등이 있다.  

태양활동의 이런 초점은 매 항목마다 지구와 지구상의 사람과 생물에 영향 줄 뿐만 아니라 또 은하계와 우주상의 기타 천체와 상호작용을 하며, 거시적이나 미시적으로 많거나 적게, 크거나 작게 인류의 생활과 연관성을 갖는다.  

NASA태양물리연구소 과학부문 부주임 알렉스 영(Alex Young)의 해석에 따르면 이번 파커탐지기의 주요임무는 3가지가 있다. 첫째는 태양풍의 속도를 탐측하고, ENFWOO는 태양폭풍의 원리를 관찰하며, 셋째는 코로나층의 온도가 왜 이렇게 높은 지를 파악하는 것이다. 이 3가지 탐측 혹은 연구는 긴밀하게 연결되어 있다. 그리고 이런 임무는 과거 인류의 태양에 대한 관찰과 연구의 기초 위에 있는 것이다.  

그 중, 태양풍의 속도를 탐색하는 의의는 중대하다. 태양탐지기 파커는 미국의 고 천문학자, 시카고대학교수 유진 파커(Eugene Parker)의 이름을 따 명명하였다. 파커는 20세기 50년대에 태양풍이론을 제출하였고, 파커 나선(Parker spiral)의 존재를 예측하였다.  

2017년 5월 31일, 시카고대학에서 개최한 파커를 기념하는 회의에서, NASA는 태양탐지기+(Solar Probe Plus)의 임무를 파커태양탐지(Parker Solar Probe)로 명명하였다. 과거, 사람들의 초보적인 이해에 따르면 태양풍은 태양이 ‘불어낸’ 미립자 흐름으로서 그의 가열속도와 코로나의 가열문제가 연결된 것은 공간물리에서의 중대한 과제 가운데 하나였다.  

비록 사람들은 태양풍의 존재에 대한 예언을 파커에게 공을 돌리지만 파커 본인은 그렇게 여기지 않았는데 왜냐하면 그가 1958년에 태양풍 개념을 제출하기 이전에 이미 태양풍이 존재하는 증거가 있었기 때문이다.  

20세기초, 노르웨이 과학자 비르켈란트(Kristian Birkeland)는 지구의 극광은 태양의 연속적인 입자흐름으로 인해서 생긴 것이라고 주장하였고, 후에 독일 과학자 비어만(Ludwig Biermann)은 혜성꼬리의 역태양방향현상(혜성의 운동방향에 상관없이 그의 꼬리는 언제나 태양과 멀리 떨어진 방향을 향하는 현상)에 대해서 관련된 연구를 진행하였는데, 태양이 불어낸 안정된 입자흐름은 혜성꼬리를 압박할 때 이런 현상이 나타나지만, 입자흐름은 태양반경에 따라 각 방향으로 흘러 나오는데, 속도는 500~1,500킬로미터/초라고 추측하였다. 비어만이 추측한 이 속도는 오늘날에 이르기까지 비교적 신뢰할 수 있는 것이나 그래도 파커태양탐지기의 실증연구로 증명해내야 한다.  

후에 파커의 박사논문 지도교수인 캘리포니아 이공대학 교수 데이비스(Leverett Davis)는 1955년에 ‘태양 미립 복사’는 행성간 매개물질을 밀어내서 태양주위에 태양 미립을 위주로 하는 공간을 형성한다고 주장했다. 태양풍은 과거에 태양 미립으로 불렸다. 그러므로 파커의 공헌은 제일 처음으로 태양 미립이 한가지 미립자 흐름이고, 한가지 유동체모형이며, 1958년 이 유동체모형을 제출할 때 이를 태양풍으로 불렀다는 것이다. 이 술어와 개념이 지금까지 계속하여 사용되었다.  

태양풍과 밀접히 연관된 것은 태양폭풍이다. 왜냐하면 일반적인 태양풍의 에너지폭발은 태양의 광점이거나 혹은 기타 ‘태양폭풍’으로 불리는 기후현상에서 오기 때문이다. 태양폭풍은 태양대기에서 발생하는 지속시간이 짧고, 규모가 거대한 에너지 방출현상인데, 주로 증강된 전자파복사, 고에너지하전입자흐름과 플라스마구름 등 세가지 형태로 방출된다. 그 후 지구공간 고에너지전자폭발, 열플라스마주입, 전리층 폭풍, 고층대기밀도증가 등 다양한 공간 환경의 교란사건을 일으킬 수 있으며, 위성운행, 도항통신과 지면시스템에 일련의 영향을 준다.  

코로나는 태양대기의 가장 바깥층인데, 두께는 수백만 킬로미터 이상에 달한다. 코로나층의 온도는 극히 높고, 섭씨 100만~200만도에 달한다. 동시에 코로나에는 코로나 홀이 있는데, 코로나 홀은 태양풍의 근원이다. 그러므로 태양풍, 태양폭풍과 코로나층은 밀접히 연관되어 있다.  

태양은 이처럼 뜨겁다. 그 어떤 그에 대해 가까워지려는 사람과 물체는 순식간에 녹아 없어진다. 왜냐하면 그의 대기층 최저온도는 최소 섭씨 4,500도에 달하기 때문이다. 그렇다면 파커태양탐지기는 어떻게 태양에 가까워지거나 혹은 태양의 대기층에 들어갈까? 

7년간 태양을 쫒다 

▲ © 태양 외환 선에서 비행하는 파커탐지기. 사진/ NASA

태양의 구조는 안으로부터 바깥까지 핵심, 방사선 구역, 대류권, 광구권, 채층, 코로나층으로 이루어 지는데, 마지막 3층은 태양의 대기층을 구성한다. 그러나 태양의 대기층에서의 고온 분포는 안으로부터 바깥까지 점차 증가한다. 태양대기의 최저온도 섭씨 4,500도는 단지 채층 변두리의 온도이고, 가장 바깥층인 코로나층의 하층 변계에 이르면 온도는 섭씨 100만~200만도에 이른다.  

그러므로 만약 파커태양탐지기가 태양의 대기층에 들어 가려면 반드시 고온의 ‘고’위험을 거쳐야 한다. 그러므로 NASA는 2가지 방면의 설계를 하였다. 첫째는 태양과 적당한 거리를 유지하는 것이고, 두 번째는 파커태양탐지기의 내열설비와 계기이다.  

태양의 고온을 피하기 위하여 탐지기와 태양의 거리는 줄곧 이론성능시험과 실제조작을 진행하고 있다.  

파커는 인류 최초로 태양과 데이트하는 비행선이 아니다. 이전에 인류는 도합 15개의 태양탐지기를 발사했는데 가장 태양에 근접한 것은 1976년 독일이 발사한 ‘태양신2호’이며, 태양과 2,700만마일(약4,345만킬로미터)거리까지 접근했다. 이번에 파커의 비행궤도는 태양과 더 가까운 바 2024년 파커는 태양과 가장 가까운 거리에 닿을 것으로 예측되는데 이때 태양과 거리는 380만마일(약 611만킬로미터)에 달하는데 이전에 태양과 가장 가까운 거리의 비행선보다 약 7배 가깝다. 그러므로 더 높은 고온과 방사선을 받을 것이다.  

고온의 방사선에 대응하고 탐지기 위의 계기가 정상적으로 작동하게 하기 위해서, NASA연구인원은 정확한 계산과 내열장비설계를 하였다. 파커가 코로나층에 진입한 후 태양을 향한 면 온도는 약 섭씨 1,400도에 달하게 된다. 그러나 파커태양탐지기는 두께가 약 11.45센티미터 되는 열보호막에 싸여 있는데, 경량탄소복합포말로 만들어졌고, 표면에는 흰색의 도자기도료를 발라 가능한 태양광을 반사하여 탐지기 내부의 온도가 섭씨 30도 전후에 이르게 한다.  

그 외의 일부 계기는 고온을 견딘다. 예를 들면 파커탐지기 속의 감응신호 장치 ‘패러데이 컵’은 태양풍 속의 이온과 전자의 관련된 데이터를 측량한다. ‘패러데이 컵’은 몰리브덴 합금으로 제작되어 용점이 섭씨 2,349도로 높다. 그를 생산하는 전기장의 칩은 텅스텐으로 제작되어 용점이 섭씨 3,422도로 높으며, 그리고 ‘패러데이 컵’은 열보호막에 놓여 지지 않았다. 동시에 파커의 비행각도는 소프트웨어로 제어되는데 열보호막 뒤의 계기설비는 열원을 향하지 않게 하고, 계기가 적당한 온도 아래에서 작업을 하도록 한다.  

그 외에, 파커 탐지기 위에는 일부 고온 보호기제들이 있다. 예를 들면 열보호막 음영의 변두리에는 여러 개 감응 신호 장치를 달았는데 일단 어느 감응 신호 장치가 태양광을 탐지하면 중앙컴퓨터에 알려 파커탐지기는 즉시 자동으로 자세를 교정하여 내부 계기가 안전하도록 보호한다.  

문제는 파커호가 제일 처음으로 태양대기층의 코로나층으로 들어가는 비행선이기 대문에 코로나층의 온도가 더 높아 고온의 ‘고’위험을 견딜 수 있는가 하는 것이 미래에 검증을 거쳐야 한다는 점이다. 그러나 NASA의 해석은 코로나 온도는 당연히 각별히 높지만 물질밀도가 낮아 열입자가 희소하여 우주설비고온 영향이 생각보다 그렇게 크지 않다는 것이다. 이것은 인류가 오븐에 손을 넣었는데 그 어떤 표면에 닿지 않으면 데지 않는 것과 마찬가지라고 했다. 파커가 코로나에 진입한 후 태양을 향한 면은 섭씨 1,400도 밖에 온도가 상승하지 않고 파커의 열보호막은 효과적으로 태양의 고온을 격리시킨다고 본다.  

태양풍의 속도를 탐색하고, 태양풍의 원리를 관찰하며, 코로나층의 온도가 왜 이렇게 높은지 이해하기 위하여 파커는 몇 가지 계기를 달았다. 첫째는 태양풍 속의 입자속도, 밀도와 온도 등 데이터를 기록하는 ‘태양풍전자, 알파방사선과 질자탐지기’(SWEAP)가 있는데 그 중 패러데이 컵으로 태양풍속의 대전입자를 잡는다.  

두 번째는 코로나전기장과 자기장의 장(FIELDS)을 측량하는 한 대의 태양전자기장 감측설비이다. 이는 태양대기층 속의 전기장과 자기장을 탐지하고 과학자들이 전기장이 어떻게 대양의 등입자체물질을 구성하는지, 그리고 태양풍 사이의 발생하는 상호작용을 이해하는데 도움을 준다.  

세 번째는 직접 태양 코로나 사진을 찍는 광각영상기 WISPR인데, 그로 연도 비행하는 구역의 영상을 찍어서 연구자들이 기타 설비에 대해 얻은 데이터를 영상을 통해 교정하고, 태양면 폭발 등에 대해서 모니터링을 한다. 네 번째는 입자에너지 및 종류의 ‘태양통합과학탐지기’(ISIS)인데 과학자들이 태양풍가속의 비밀을 밝히는데 도움을 줄 수 있다.  

그 외에 파커가 순조롭게 태양 변두리에 도달하게 하기 위하여 NASA는 인류 역사 이래 비행속도가 가장 빠른 우주설비를 설계하였다. 파커탐지기는 지구 태양 사이의 인력에 저항하고 금성의 인력을 빌려 점차적으로 태양에 가까워진다. 존스홉킨스대학교 응용물리실험실의 파커태양탐지기 담당 과학자 니콜라 폭스(Nicola Fox)에 의하면 파커탐지기는 속도 43만마일(약 69만킬로미터)로 태양 밖 코로나층을 통과하는 ‘이동속도가 가장 빠른 인조

물체’로서 워싱턴에서 비행을 시작하면 1분이 안 되는 시간에 동경에 이르게 된다.  

파커탐지기는 2018년 10월에 금성궤도에 도달할 예정이다. 탐지기는 11월초에 첫 한 바퀴 태양 회전 비행을 하고, 지구는 가장 빠르게는 2018년 12월에 첫 번째 태양을 향한 탐지 정보를 얻게 된다. 파커의 두 번째 비행은 2019년 5월까지 기다려야 되며, 파커의 태양 탐지 임무는 2025년 6월에 끝날 예정이다. 7년동안의 태양을 쫓는 임무 중, 탐지기는 태양을 24차례 돌면서 비행을 하게 된다. 파커의 태양을 도는 횟수가 증가함에 따라서 얻는 연구 결과도 더 많아질 것이다.  

아마도 7년 혹은 7년이 안 되는 탐색을 거쳐 인류는 점차 태양풍의 형성과 코로나물질의 발사, 태양풍 속의 입자가 어떻게 가속을 얻는지, 코로나 온도는 태양 표면의 온도보다 얼마나 높은지에 대한 비밀을 알 수 있을 것이다. 이런 문제들의 답을 가져온 후 인류가 우주폭풍이 지구상의 전력망과 통신을 교란시키는 것을 예측하고 방지할 수 있을 뿐만 아니라 태양폭풍으로 인하여 생기는 위험 기후 등을 예방 할 수 있다.  

그러나 파커와 태양의 데이트 여정의 가장 큰 의의는 과거 천문학이 먼 거리에서 천체와 우주를 관찰했던 한계를 돌파하고, 근거리에서 과학계기로 실험하고 검측하는 등 실증연구를 할 수 있는데 있다.

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