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[아하! 우주] 태양계 가장 자리 모습은?…3D 지도로 보는 태양계

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▲ 태양계를 묘사한 그래픽(사진=123rf)

태양계의 맨 끝 가장자리는 어떤 모습을 하고 있을까?

지구는 태양계의 가장자리에서 여섯 번째 행성이다. 즉, 우리가 사는 지구는 춥고 삭막하기 그지없는 태양계 경계로부터 멀리 떨어져 있다는 뜻이다. 하지만 우리는 지난 몇 년에 걸쳐 다양한 우주선들을 그쪽으로 날려보냈다. 그래서 우리는 태양계의 가장자리가 과연 어떤 풍경인지, 어떻게 생겼는지 알게 되었을까?

대답은 ‘예’이지만, 아직까지 보다 자세한 내용을 알기 위해 조사하는 중이다. 최근 개발된 3D 지도 제작법으로 태양계 가장자리의 3D 지도를 만드는 데만도 13년이 걸렸다. 하지만 그 작업 중 외부 태양권이라고 불리는 이 신비한 경계에 대한 몇 가지 비밀이 더 밝혀졌다.

미국 로스앨러모스 국립연구소의 우주과학 연구원이자 3D 지도 연구를 수행한 팀장인 댄 라이젠펠트의 설명에 따르면, 외부 태양권은 태양에서 방출되는 하전입자의 흐름인 태양풍이 태양계 너머의 성간 복사에 의해 ‘저지되는’ 공간 영역을 가리킨다. 즉, 태양에서 나오는 물질인 태양풍의 압력과 성간 입자의 압력이 같아지는 영역으로, 이 경계 밖으로는 태양풍 입자가 거의 사라지기 때문에 태양계의 경계로 불린다. 따라서 이 경계 안쪽의 영역을 태양권계면, 곧 헬리오포스로 정의한다.

태양권계면은 태양계를 감싸는 거품과 같은 것으로, 가장 먼 행성인 해왕성 너머 멀리까지 펼쳐져 있다. 태양풍이 성간 물질과 성간 자기장에 부딪혀 급격히 낮아지는 경계를 ‘말단 충격'(Termination Shock)이라 하며, 이 말단 충격과 태양권계면 사이의 영역을 태양권덮개(헬리오시스)라 한다. 바로 태양계의 끝이라 할 수 있는 지점이다.

▲ 태양계 개념도. 태양권계면은 태양계를 감싸는 거품과 같은 것으로, 가장 먼 행성인 해왕성 너머 멀리까지 펼쳐져 있다.

인류는 1977년에 발사된 미 항공우주국(NASA)의 보이저 1호가 성간 공간에 진입한 2012년에 처음으로 태양계의 바깥쪽 가장자리를 엿볼 수 있었다. 보이저 2호는 2018년에 보이저 1호와는 다른 방향으로 역시 성간 공간에 진입했다.

NASA 제트추진 연구소에 따르면, 과학 장비 외에도 바흐, 루이 암스트롱, 혹등고래 노래 등을 수록한 황금 레코드를 장착한 보이저 1, 2호는 성간 공간의 상황을 지구로 전송했는데, 그곳에는 태양 입자가 급격히 감소하는 한편, 성간 복사의 상당히 증가했다고 알려왔다.

NASA에 따르면, 2008년에 발사된 버스 타이어 크기의 성간경계 탐사선(IBEX·Interstellar Boundary Explorer)을 사용하여 3D 지도에 대한 측정값을 수집했다. ibex는 벼랑을 잘 타는 산악 염소를 가리키지만, 이 탐사선은 산악 염소보다 박쥐에 가깝다. 박쥐가 음파를 발사하여 사물과의 거리를 측정하듯이, Ibex는 초음파처럼 태양계 가장자리에 날아오는 입자를 관측해 헬리오포스의 범위와 거리를 알 수 있다.

태양풍이 헤리오시스 성간 물질과 상호 작용하면 고에너지 중성 원자(ENA)를 만드는데, IBEX는 이 ENA를 탐지할 수 있다. 라이젠펠트 연구팀은 IBEX 위성 데이터를 사용하여 헤리오시스에서 날아오는 입자를 검사하여 3차원 지도를 만들었다.

▲ 태양권계면의 3차원지도. 숫자는 AU단위.(출처=로스 앨러모스 국립연구소)

태양이 뿜어내는 태양풍은 주기에 따라 강약이 있다. 2~6년 후에 돌아올 ENA 신호는 태양풍의 강약과 같은 패턴을 볼 수 있다. 그 시간차를 이용하여 ENA이 발생되는 영역까지의 거리를 알아낼 수 있다. 연구팀은 2009~2019년까지 태양 활동 1주기분의 데이터를 사용하여 태양계 3차원 지도를 만들었다.

새로운 3D 지도는 태양권에 대해 더 많은 것을 보여준다. 태양과 행성이 있는 내부층은 대략 구형이며, 모든 방향으로 약 90AU(천문단위)로 확장되어 있을 것으로 생각된다. 1천문단위는 지구와 태양 사이의 평균 거리로 약 1억 5000만㎞이다. 참고로, 태양에서 해왕성까지의 거리는 30AU 정도이다.



댄 라이젠펠트에 따르면, 외층은 훨씬 비대칭이다. 이유는 태양이 태양계의 모든 식구들을 데리고 은하 가장자리를 초속 200㎞로 공전하고 있기 때문이다. 태양이 우주 복사와 부딪치면서 진행하는 방향의 외부 태양권은 약 110AU 확장되지만, 그 뒤쪽인 반대 방향에서는 훨씬 더 확장되어 최소 350AU에 이른다. 하지만 이는 고정된 경계가 아니라 태양 활동에 따라 변하는 역동적인 경계이다.

태양권에 대해 자세히 알아보기 위해 NASA는 2025년에 성간 매핑 및 가속도 탐사선(IMAP)이라는 새로운 임무를 시작할 계획이다. 모든 것이 계획대로 진행된다면 IMAP은 태양계 가장자리에서 일어나는 태양풍과 태양계의 우주 복사의 상호작용을 보다 자세히 알아낼 수 있을 것으로 기대된다. 

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

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