초강력 태양폭풍 화성 강타…"64시간에 200일치 방사선 노출" [우주로 간다]

ESA 화성 궤도 탐사선·TGO로 해당 현상 관측

초강력 태양 폭풍이 붉은 행성 화성을 강타하는 모습이 관측됐다고 우주과학 매체 스페이스닷컴이 최근 보도했다. 이번 연구 결과는 지난 5일(현지시간) 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 발표됐다.

보도에 따르면 유럽우주국(ESA)의 화성 궤도 탐사선 ‘마스 익스프레스’와 엑소마스의 궤도선 ‘트레이스 가스 오비터(TGO)’가 지구를 강타한 강력한 태양 폭풍이 화성에도 영향을 미치는 모습을 포착했다. 이 폭풍으로 탐사선에 일시적인 오류가 발생했으며, 화성 상층 대기가 극도로 활성화된 것으로 나타났다.

64시간에 200일치 방사선 나와…우주선 컴퓨터 오류 일으켜

2024년 5월 11일 태양 폭풍이 지구를 강타하면서 약 20년 만에 가장 강력한 태양 폭풍으로 기록됐다. 이 영향으로 평소 지구 극지방에서만 나타나던 오로라가 적도 지역에서도 관측됐다. 같은 폭풍은 화성에도 영향을 미쳤다. 마스 익스프레스와 TGO는 단 64시간 동안 평소 약 200일 동안 받는 양에 해당하는 방사선에 노출된 것으로 나타났다.

태양 폭풍이 화성의 상층 대기에서 대전 입자를 벗겨내는 모습을 묘사한 그림 (출처=NASA/GSFC)

연구팀을 이끈 ESS 연구원 제이콥 패럿은 “그 영향은 놀라울 정도였다”며 “화성 상층 대기가 전자로 가득 찼다"면서 "지금까지 화성에서 관측된 태양 폭풍 반응 가운데 가장 큰 수준이었다”고 성명을 통해 밝혔다.

태양 폭풍의 영향으로 화성 대기의 두 층에서 전자 수가 크게 증가했다. 고도 약 110㎞에서는 전자 수가 45% 증가했고, 약 130㎞ 상공에서는 무려 278% 증가한 것으로 나타났다. 이는 화성 대기에서 관측된 전자 밀도 증가 중 가장 큰 수치다.

연구진은 이러한 초강력 태양 폭풍이 우주 날씨가 우주 기술에 미칠 수 있는 부정적인 영향을 보여주는 사례라고 설명했다.

패럿은 “이번 폭풍으로 두 궤도선 모두에서 컴퓨터 오류가 발생했다”며 “이는 우주 날씨에서 흔히 나타나는 위험 요소”라고 말했다. 이어 “다행히 우주선은 이런 상황을 고려해 설계돼 방사선에 강한 부품과 오류 감지·수정 시스템을 갖추고 있어 빠르게 정상 상태로 복구됐다”고 덧붙였다.

이 이미지는 연구자들이 화성 대기에 미치는 태양 폭풍의 영향을 조사하기 위해 사용한 전파 신호 반사 기법을 보여준다. (출처=ESA)

연구진은 이번 태양 폭풍의 영향을 조사하기 위해 ‘라디오 엄폐(radio occultation)’라는 기술을 활용했다. 이 기술은 마스 익스프레스가 화성의 지평선 아래로 내려갈 때 TGO로 전파 신호를 보내고, 이 신호가 화성 대기의 여러 층을 통과하며 굴절된 뒤 다시 탐사선으로 돌아오는 과정을 분석하는 방식이다. 이를 통해 연구진은 화성 대기층의 세부 구조를 파악할 수 있었다.

콜린 윌슨 ESA 소속 연구원은 “이 기술은 수십 년 동안 태양계 탐사에 사용돼 왔지만, 그 동안에는 우주선에서 지구로 신호를 보내는 방식이었다”며 “마스 익스프레스와 TGO처럼 화성 궤도에 있는 두 우주선 사이에서 이 기술을 활용하기 시작한 것은 약 5년 전부터”라고 설명했다. 그는 “이 장비들은 원래 궤도선과 로버 사이에서 데이터를 전달하는 무선 통신 장비를 활용한 것”이라고 덧붙였다.

“태양 폭풍, 화성·지구에 서로 다른 영향”

이번 연구는 지구와 화성이 태양에서 방출되는 대전 입자의 충격에 서로 다른 방식으로 반응한다는 사실도 보여줬다.

가장 큰 차이는 지구에는 자기장, 즉 자기권이 존재한다는 점이다. 지구 자기장은 태양 폭풍이 대기에 미치는 영향을 완화하고, 대전 입자를 지구에서 멀리 밀어내 극지방으로 유도하는 역할을 한다. 반면 화성에는 이러한 자기권이 거의 없어 태양에서 방출되는 입자와 방사선의 영향을 더 직접적으로 받는다.

패럿은 “대규모 태양 플레어가 화성을 강타한 지 불과 10분 만에 마스 익스프레스와 TGO를 활용해 이 새로운 관측 기술을 사용할 수 있었다”고 밝혔다.

과학자들은 동일한 태양 폭풍에서 발생한 세 가지 태양 활동 ▲방사선 폭발 ▲고에너지 하전 입자 방출 ▲코로나질량방출(CME)에 의해 방출된 물질의 영향을 분석했다. 이 과정에서 방사선과 입자가 화성 대기에 충돌하면서 중성 원자에서 전자가 분리됐고, 그 결과 음전하를 띤 입자들이 이전에 기록된 적 없는 수준으로 대기를 채운 것으로 나타났다.

연구진은 이번 연구가 화성이 현재처럼 건조하고 황량한 행성으로 변한 이유를 이해하는 데에도 도움이 될 것으로 보고 있다.

윌슨은 “이번 연구는 태양 폭풍이 화성 대기에 에너지와 입자를 어떻게 전달하는지 보여주며 화성에 대한 이해를 높여준다”며 “화성은 과거 막대한 양의 물과 대부분의 대기를 잃었는데, 이는 태양에서 지속적으로 방출되는 입자 흐름의 영향 때문일 가능성이 크다”고 설명했다.

이어 “행성 대기의 구조와 구성 성분은 우주 공간을 통과하는 전파 신호에도 영향을 미친다”며 “만약 화성 상층 대기에 전자가 가득 차 있다면 레이더로 화성 표면을 탐사할 때 사용하는 신호가 차단될 수 있어 향후 탐사 임무 계획에서 중요한 고려 요소가 될 것”이라고 말했다. 이어 “이는 다른 행성을 탐사하는 능력에도 영향을 미칠 수 있다”고 덧붙였다.