아직 풀지 못한 태양 미스터리 3가지 [우주로 간다]

우리가 점점 더 많은 우주선을 보내면서 태양을 비롯한 우주에 대한 지식이 날로 해박해지고 있다. 하지만 아직까지도 해결되지 않은 수많은 우주 미스터리가 존재한다.

우주과학매체 스페이스닷컴은 6일(현지시간) 아직 해결되지 않은 태양 미스터리 세 가지를 꼽아 보도했다.

■ 코로나 가열

일식 중에 살펴본 태양 코로나 (사진= Miloslav Druckmüller, Shadia Habbal, Peter Aniol, Pavel Starha)

코로나라고 불리는 태양 외기권의 온도는 섭씨 100만도에 달한다. 하지만, 태양 광구(光球)라고 불리는 곳의 표면의 온도는 약 5천500도로 훨씬 더 차갑다. 태양 대기가 태양으로부터 에너지를 얻는다면 태양의 외기권인 코로나가 태양 자체보다 어떻게 더 뜨거울 수 있을까? 언뜻 생각하면 의아한 점이다.

물리학에서 온도는 물질을 구성하는 원자(예: 주변 공기) 내의 에너지 양으로 정의된다. 공기 원자가 많은 에너지를 가지고 진동하면 공기는 뜨거워지고 진동이 적으면 차가워진다.

하지만 이는 밀도를 고려하지 않은 것으로, 공기 밀도가 높은 상태에서는 같은 온도의 원자가 많아도 온도는 변하지 않으나 에너지 양이 바뀌게 된다. 코로나는 태양 표면보다 훨씬 더 뜨겁지만 밀도는 훨씬 낮다. 반면에 태양 표면은 더 차갑지만 밀도가 훨씬 더 높다. 결과적으로 광구의 온도는 낮지만 총 에너지 양은 여전히 더 높은 상태다.

그러나 태양 에너지가 태양 표면에서 대기로 어떻게 전달돼 코로나가 뜨거워지는 지에 대한 문제는 해결되지 않았다. 이에 대한 여러 가지 이론이 있지만, 아직 결정적인 설명은 하지 못하는 상태다.

■ 태양의 내부 동력원과 태양 주기

태양은 11년 주기로 활동이 증가하고 감소한다. 태양 활동이 최고로 증가하는 태양 극대기에는 흑점, 태양 플레어, 코로나 질량 방출(CME) 현상이 흔히 발생하고 태양 극소기에는 몇 달 또는 몇 년간 거의 활동하지 않는다. 11년 주기는 예측 가능하나 이 주기마다 달라지는 것은 태양의 최대 밝기(magnitude)다. 일부 태양 주기에서는 다른 주기의 2배가 넘는 밝기 최대치를 보이기도 한다.

미 국립해양대기청(NOAA) ISES 태양주기 흑점 수 변화. 주기별로 태양 밝기 최대치의 진폭이 상당히 다르다. (출처=NOAA 우주 날씨 예측 센터)

또, 태양은 지구나 달처럼 고체가 아니기 때문에 자전할 때 통째로 회전하지 않고 위도에 따라 다른 속도로 자전해 자전 주기가 다르다. 태양 표면이 회전하는 속도 차이로 비틀림이 발생하는 것이다.

태양 내·외부에서 가스와 플라스마가 순환하면서 발생하는 패턴인 비틀림 진동은 11년 주기로 반복된다. 이를 태양 활동의 11년 주기로 예상하고 있으나 아직 태양 활동 주기 11년에 대한 정확한 설명은 하지 못하고 있는 상태다.

■ 태양플레어와 CME

지난 7월 23일 태양의 뒷면에서 태양 플레어가 폭발하는 모습 (출처=Helioviewer.org)

태양 플레어와 CME(코로나 질량 방출)는 우주 날씨의 주요 원동력으로, 이는 지구에 전력망, 위성 및 무선 통신에 영향을 미친다. 전 세계적으로 수십 개의 우주 날씨 예측 기관이 이에 대한 예측 정보를 발표해 태양 활동으로 인한 영향을 미리 알려주고 있다. 하지만, 아직 우리가 이용할 수 있는 관측 수치와 태양플레어와 CME의 원리에 대한 정보가 부족하기 때문에 관련 정보가 아직 제한적인 상태다.

현재 태양플레어와 CME에 대한 예측 정보는 다소 확률적이고 사후 대응적인 방식으로 제공되고있다. 태양플레어와 CME가 발생할 가능성이 높은 시점을 추측할 수 있으나, 구체적으로 해당 활동이 언제 일어날지는 예측할 수 없는 상태다. 때문에 태양플레어와 CME를 유발하는 복잡한 프로세스에 대한 이해가 필수적이다.

■ 미스터리 해결을 위한 탐사 장비는?

NASA의 무인 태양 탐사선 ‘파커 솔라 프로브’ (사진=NASA / 존스 홉킨스 대학)

미국 항공우주국(NASA)은 지구 궤도에 태양역학관측소와 태양 탐사선 아이리스(IRIS) 등 수 많은 태양 탐사 임무를 수행 중이다. 10년 후에는 NASA의 '멀티-슬릿 솔라 익스폴로러'(MUSE))가 합류하게 된다. 여기에 태양 주위를 돌고 있는 유럽우주국(ESA)의 태양 궤도선과 NASA의 파커 태양 탐사선도 있다.