밴앨런대는 입자가속기...마치 허리케인처럼

지구를 도넛형으로 둘러싸고 있는 방사성 밴앨런대(Van Allen belts)를 구성하는 방사성입자들이 마치 허리케인처럼 스스로 높은 에너지를 받아 움직인다는 사실이 밝혀졌다.

과학자들은 높은 밀도의 전자기파가 에너지를 다른 쪽으로 옮기는 방식으로 이런 움직임이 이뤄지는 것으로 생각하고 있다. 이렇게 되면 밸 앨런대의 중심에 있는 지역의 입자들이 가속돼 에너지를 얻으면서 허리케인처럼 큰 힘으로 움직인다는 것이다.

이는 태양풍같은 외부의 영향으로 밴 앨런대의 입자가 높은 에너지를 얻는다는 기존 이론을 뒤집는 것이다.

나사는 지난 26일 두 대의 밴앨런탐사선(Van Allen Probes)이 보내온 자료를 바탕으로 밴앨런대의 고에너지 입자가 이 방사능 띠 내부의 한지역에서 발생한다는 것을 밝혀냈다고 발표했다. 이 결과는 사이언스지 7월25일자에 발표됐다.

그동안 과학자들은 우주공간의 그 무엇인가가 밴 앨런대의 입자를 가속해 빛의 속도의 99%에 이르는 빠른 속도로 가속시킨다는 것을 알고 있었다. 하지만 어디서 오는 힘이 밴 앨런대의 입자를 가속시켜 고에너지를 갖게 하는지에 대해선 알 수 없었다.

지난해 8월 나사는 밴앨런대의 입자가 어떻게 초고에너지로 가속되는지, 때때로 어떻게 입자가 줄어드는지를 알아내기 위해 입자물리학연구소(APL)가 만든 두 대의 지구궤도 탐사선을 발사했다. 밴앨런탐사선(Van Allen Probes)A,B는 밴 앨런대라는 자연적인 입자가속기의 숨은 메커니즘을 밝혀주기 시작했다.

■입자가속의 원인은 태양풍이 아닌 밴 앨런대 내부의 힘

나사과학자들은 밴앨런탐사선이 보내온 데이터를 통해 밴 앨런대 입자가 방사성띠 내부에서 가속되고 고에너지화된다는 사실을 발견했다고 밝혔다. 입자가 특정 지역에 있는 에너지원으로부터 에너지를 얻는다는 이른바 국지적 가속이론이다. 마치 허리케인이 바다에서 뜨거운 공기 증발후 스스로 힘을 얻는 것과 같다는 것이다.

나사에 따르면 밴 앨런대 내부의 입자들은 시간이 맞춰진 움직이는 그네처럼 스스로 에너지를 높여 입자를 더욱더 빠르게 만든다. 지구를 둘러싼 밴앨런대(Van Allen Belts)에 고에너지 입자가 형성될 때의 상황은 허리케인 발생 상황과 같았다.

입자가 가속되는 지점의 위치를 아는 것은 우주기상을 예상하는데 도움을 준다. 밴앨런대의 변화는 지구근처의 위성에게 위험할수 있기 때문이다.

이미 1958년 발사된 익스플로러1호가 최초로 이 밴앨런대가 우주선에 얼마나 위험한지를 밝혀냈다. 이 지구를 둘러싼 도넛모양의 방사선 띠가 우주기후에 따라 부풀어 오르면 치명적 방사선이 우주선을 통과해 위험에 빠뜨릴 수 있다. 오늘날 대다수 위성의 궤도는 이 방사선벨트 아래 또는 밖에 위치하도록 선택되며 GPS위성은 두 벨트 사이에 위치한다. 이런 역동적 상황에 대처하기 위해서는 이 신비한 밴 앨런대가 어떻게 작동하는지를 알아야 한다.

■밴 앨런대 입자 고에너지화 태양풍 때문이 아니었다

지오프 리브스 로스알라모스 국립연구소 연구원은 1990년대까지 우리는 밴 앨런대가 아주 얌전하게 천천히 움직이는 것으로 생각해 왔지만 더많이 측정하면 할수록 이 방사성 벨트가 빠르게 변화하고 있다는 사실을 알게 됐다고 말했다. 이들은 기본적으로 조용하게 있지 않으며 끊임없이 변화하고 있다고 말했다.

과학자들은 똑같은 태양풍에 의해서도 이 방사성벨트가 때에 따라 각기 다른 반응을 보이는데 대해 궁금해 했다.

사실 과학자들은 그동안 태양폭풍이 벨트의 입자를 강화시키거나, 없애거나, 전혀 영향을 미치지 않는다는 다양한 경우를 발생시키는 것으로 보고 있었다. 따라서 이번 발견은 밴 앨런대 내부의 입자가속지역을 훨씬더 신비하게 만들어주고 있다.

두 대의 밴앨런탐사선은 어떤 과정이 밴앨런대 입자를 그런 놀라운 속도로 가속시키는지 알수 있도록 설계됐다. 다양한 형태의 전자기장파를 구별해 내 측정할 수 있다.

기본 가속시 밴앨런대 입자들은 지구에서 멀리 떨어진 낮은 자기장지역에서부터 지구에 가까운 자기장이 강한 쪽으로 전달되며, 밴앨런대 자기장에 수직으로 퍼진다.

■밴 앨런대는 태양계 최대 입자가속기 중 하나

밴 앨런대는 태양계에서 가장 커다란 입자가속기 가운데 하나로서 입자를 빛의 99%에 이르는 속도로 가속시켜 준다.

두 대로 구성된 밴 앨런탐사선(Van Allen Probes)이 관측한 내용을 통해 입자를 측정하며, 우주의 두 개 지역에서 동시에 발생하는 에너지원을 동시에 측정할 수 있다. 이에따라 밴앨런대 입자를 가속시키는 에너지원이 밴 앨런대 내부에 있는지 외부에서 오는 것인지를 알아낼 수 있게 됐다.

각 탐사선에는 입자에너지와 위치,그리고 입자가 쏘아지는 각도를 측정하는 센서가 설치돼 있다. 센서는 지구자기장 움직임과 연계된 각도다. 이 모든 것은 이들에게 작동하는 힘에 따라 다른 방식으로 변화하면서 과학자들의 이론이 맞는지를 알아내도록 도와준다.

리브스와 그의 팀은 지난 해 10월 9일 이 데이터를 가지고 밴 앨런대 내의 급속한 고에너지 전자 증가현상을 관찰했다. 이들 전자의 가속이 방사선 전송에 의해 발생한다면 밴 앨런대 장을 둘러싸고 있는 장의 힘과 형태에 따라 지구의 먼 곳에서 시작해 지구내부로 움직이는 가속효과를 측정할 수 있게 될 것이다. 이 이론대로라면 자장주변을 움직이는 입자는 자연적으로 한곳에서 다른 폭포로 점프하고 그 과정에서 속도와 에너지를 얻게 된다. 이역시 언덕에서 바위가아래로 굴러내리면서 가속도를 얻게 되는 원리와 같다.

이번 탐사에서는 밴 앨런대 중심부에서 에너지가 시작돼 점진적으로 안쪽과 바깥쪽으로 증가되는 모습을 보여주었다. 이는 국지적인 가속원이 있음을 의미하는 것으로 보인다.

리브스는 이 독특한 경우 모든 가속은 12시간 이내에 일어난다고 말했다. 그는 이전까지의 측정에서는 위성이 어떤 변화를 일으키는지 정확히 들여다볼 기회를 갖지 못했지만 밴앨런 탐사선은 두 대여서 어떤 변화가 일어나는지, 어디서 이런 변화가 시작되는지 관측할 수 있다고 덧붙였다.

과학자들은 이 탐사선의 탐사결과를 바탕으로 인공위성을 고장낼 정도의 밴앨런대 방사능 강도가 심해지는 복잡한 연계고리를 예측할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이 작업이 국지적에너지가 밴 앨런대 전자장파로부터 온다는 것을 보여주었지만 정확히 어느파가 원인인지는 알수 없다.

■밴 앨런대탐사선, 입자가속과 동시에 코러스파 관측

관측결과에 따르면 밴 앨런탐사선은 입자가 가속되는 것과 동시에 코러스파(chorus wave)라고 불리는 특별한 파장을 관측했다. 하지만 이 파장의 원인과 영향을 알기 위해서는 좀더 작업이 이뤄져야 한다.

지벡은 이 논문은 두 개의 거대한 솔루션의 차이를 구별해 낼 수 있다며 이것은 입자가속이 국지적으로 일어날 수 있음을 보여준다. 파장과 자기장을 연구하는 과학자들은 이제 어떤 파장이 입자를 가속시켰는지 연구할 수 있게 됐다고 덧붙였다.