천문연-NASA, 태양 외부 코로나 관측 성공

세계 최초 외부 코로나 지역 온도·속도 동시 측정


[아이뉴스24 최상국 기자] 한국천문연구원과 미국 NASA 공동연구진이 개발한 태양 외부 코로나 관측장비(코로나그래프)가 성층권에서 코로나의 온도와 속도를 동시에 관측하는 데 성공했다.

19일 과학기술정보통신부는 한국천문연구원과 NASA가 18일 22시(현지시각 18일 오전 7시)부터 미국 뉴멕시코주 포트 섬너(Fort Sumner)에서 8시간 동안 진행된 태양 코로나그래프(coronagraph) 관측실험을 통해 세계 최초로 외부 코로나(태양 표면으로부터 200~700만km) 지역의 온도 및 속도를 동시에 관측하는 데 성공했다고 발표했다.

천문연-NASA 공동연구진은 NASA 콜롬비아 과학 기구 발사장(CSBF, Columbia Scientific Balloon Facility)에서 축구 경기장 크기(가로 약 140m, 높이 216m)의 대형 과학용 풍선기구에 태양 외부 코로나 관측장비인 코로나그래프를 탑재해 약 40km 상공 성층권으로 띄워 관측에 성공했다.

코로나그래프를 탑재한 고고도 성층권 기구(벌룬)에 가스 주입 중인 모습 [천문연 제공]

코로나는 태양 대기의 가장 바깥층을 구성하고 있는 부분으로, 온도가 100만~500만 도에 이른다. 태양 표면 온도인 6천도 보다 월등히 높으나 그 이유는 아직 밝혀지지 않았다.

코로나는 개기일식 때 육상에서 관측되는데, 개기일식은 지속시간이 짧고 볼 수 있는 기회가 흔치 않다. 코로나그래프는 인공적으로 태양면을 가리고 코로나를 관측하는 장비다.

이번 시험에서는 자외선 영역인 400나노미터 파장 영역을 중심으로 관측해, 지금까지 관측되지 않은 외부 코로나에 관한 정보와 코로나 전자의 온도·속도 등 다양한 물리량 정보를 얻었다.

연구진은 확보된 관측자료를 바탕으로 코로나의 물리적 특성을 분석해나갈 예정이며, 코로나 지역의 온도가 이해할 수 없이 매우 높다는 과학적 수수께끼를 푸는 실마리를 얻게 될 것으로 기대하고 있다.

또한 코로나에서 방출되는 물질의 흐름인 태양풍은 지구 및 우주환경에 큰 영향을 미치는데, 이번에 얻은 정보들을 활용해 태양풍에 대한 모델 계산의 정밀도를 높이고, 태양 활동으로 발생하는 우주환경 예·경보를 고도화시킬 수 있을 것으로 기대한다.

이번 관측을 위해 천문연은 코로나그래프의 핵심 기술인 영상카메라, 제어시스템 및 핵심 소프트웨어를 개발했으며, NASA는 코로나그래프의 광학계, 태양 추적 장치를 개발하고 성층권 기구를 제공했다.

한미 공동연구진이 개발한 코로나그래프 모습 [천문연 제공]
2017년 8월 미국 개기일식 시 지상서 관측한 태양 코로나 [천문연 제공]

이번 시험은 국제우주정거장 등과 같은 우주용 코로나그래프 개발사업의 일환으로 진행된 것이다. 향후 NASA와 공동으로 차세대 태양 코로나그래프를 개발해 국제우주정거장에 설치·운용함으로써 세계적 연구성과를 창출하고 태양위험에 대한 실시간 한·미 공조체제를 구축하기 위한 발판이 될 것으로 기대된다.

천문연과 NASA는 2016년에 공동워킹그룹을 조직했으며, 2017년 8월에는 미국 대륙을 관통하는 개기일식 기간에 코로나그래프의 핵심 과학이론인 ‘온도·속도 동시 측정’ 기술을 지상에서 성공적으로 시험한 바 있다. 이번 고고도 성층권 기구 시험은 2단계 기술검증 시험으로 태양 코로나그래프의 영상카메라, 제어시스템, 소프트웨어 기술을 검증했다.

이번 연구의 NASA 측 책임자인 나치무트 고팔스와미(Natchimuthuk Gopalswamy) 박사는 “이전까지 태양풍의 속도와 온도를 우주에서 측정해 왔지만 고고도 성층권 기구 시험은 태양으로부터 매우 가까운 곳에서 태양풍이 형성되는 상태의 속도와 온도를 원격으로 측정하는 새로운 방법이다. 이 장비는 파커 태양 탐사선(Parker Solar Probe) 등 기존의 관측연구와 협력해 더욱 정밀한 정보를 얻게 될 예정”이라며, “과학계의 난제인 코로나 가열과 태양풍 가속 현상에 대한 실마리를 제공할 것”이라고 강조했다.

한국측 연구책임자인 천문연 김연한 책임연구원은 “이번 기구 시험은 최종 목표인 국제우주정거장용 코로나그래프 개발에 필요한 기술 검증을 목적으로 했다”며 “이번 성공적인 공동 개발을 통해서 연구진이 세계 최고 수준의 태양 관측 장비 개발에 대한 자신감을 얻게 된 것이 중요한 성과”라고 말했다.

코로나그래프 한국 연구진 모습 [천문연 제공]

코로나는 태양 대기의 가장 바깥층을 구성하고 있는 부분이다. 태양에 대해 정확한 이해가 없었던 시기에는 코로나가 달의 대기라고 오해하기도 했다. 1842년 7월 8일 진행된 개기일식 때에서야 태양의 코로나와 홍염이 태양 대기의 일부분이라는 사실을 알게 됐고, 1932년과 1940년 개기일식 때 관측한 분광관측 자료를 통해 코로나의 온도가 태양 표면보다 월등히 높다는 것을 알게 됐다.

태양의 표면 온도는 6천도 정도지만 대기층인 코로나의 온도는 100만~500만도이다. 물리학 법칙에 따르면 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하기 때문에 태양 내부 핵의 열이 순서대로 전달된다면 표면이 코로나보다 더 뜨거워야 한다. 하지만 태양 대기인 코로나 전자의 온도가 광구보다 월등히 높은 이유는 아직 밝혀지지 않았다.

태양의 내외부 구조. 중심에서부터 바깥쪽으로 핵, 복사층, 대류층, 광구, 광구, 코로나 등이 있다. 태양 중심에서 광구로 나아가며 온도는 낮아지지만 대기층인 코로나에서는 수백만 도까지 가열된다. 이러한 코로나 가열현상의 원인은 아직 알 수 없으며, 공동연구진은 이번 연구를 통해 그 실마리를 찾을 것으로 기대하고 있다. 코로나에서 가속된 전자는 지구 주변 환경에 직접적인 영향을 미치기도 한다. [천문연 제공]

최상국기자 skchoi@inews24.com

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