[아하! 우주] 태양계를 지켜주는 플라즈마 장벽 '헬리오포즈'의 비밀

[서울신문 나우뉴스]

태양풍 거품으로 둘러싸인 태양계 상상도. 태양풍 거품 외투가 강력한 유해 우주선으로부터 태양계를 지켜주는 역할을 한다. 출처=NASA Goddard Space Flight Center/ Ryan Fitzgibbons, Walt Feimer, Chris Meaney, Swarupa Nune, and Merav Opher

태양풍은 인류에게 우호적인 존재가 아니다. 태양이 끊임없이 방출하는 고에너지의 하전된 입자는 태양계 전체를 방사선으로 가득 채우며 때로는 인공위성을 손상시키고, 나아가 대기로 보호되지 않는 행성에 생명체가 서식할 수 없게 만든다. 태양풍은 문자 그대로 태양으로부터 바람처럼 불어져나오는 것이지만, 최근 우리 태양계 가장자리에서 이루어진 새로운 관측에서 알 수 있듯이, 그것은 성간 공간에서 태양계로 쏟아져 들어오는 보다 강력한 우주선(宇宙線)으로부터 태양계를 보호한다는 사실이 밝혀졌다.

태양풍이 모든 방향으로 수십 억㎞ 외부로 퍼지면서 태양계 전체를 둘러싸는 거품을 만든다. 태양풍이 성간 공간을 통해 쏟아져 들어오는 강력한 우주선과 충돌하는 이 거품 영역의 가장자리에는 헬리오포즈(heliopause)라고 불리는 뜨겁고 두꺼운 플라스마 장벽이 있다. 지구-태양 간 거리보다 약 120배(120AU) 먼 거리에 있는 이 우주의 경계는 태양계 밖의 별들과 별의 폭발이 야기하는 강력한 복사를 막아내는 방패구실을 하여 우주선을 희석시킨다.

최근 '네이저 천문학’ 저널 4일자에 발표된 일련의 연구에서, 천문학자들은 미 항공우주국(NASA)의 보이저 2호가 수집한 데이터를 사용하여 이 우주 경계의 상황을 직접 분석했다. 보이저 2호는 하루 만에 이 헬리오포스를 거뜬하게 통과했으며, 연구자들은 플라스마 장벽이 이전 연구에서 추정한 것보다 훨씬 더 뜨겁고 두터워 태양계와 성간 공간 사이의 물리적인 장벽 구실을 효과적으로 하고 있다는 사실을 알아냈다.

보이저 1, 2호가 헬리오포즈를 지나 성간공간으로 진출한 상상도.출처=NASA/JPL-Caltech

보이저 1, 2호가 발사된 1977년 이래 보이저 프로그램에 참여한 에드워드 스톤 캘리포니아 공대 천문학자에 따르면, 이 장벽은 태양계로 밀어닥치는 우주 방사선 중 약 70%를 차단하는 것으로 알려졌다.

스톤은 새로운 보이저 연구에 관한 기자회견에서 “헬리오포즈는 태양풍과 우주선이 충돌하는 접촉면”이라고 설명하면서 “수백만 년전 폭발한 초신성들이 쏟아낸 우주선의 약 30 % 만이 이 경계를 뚫고 들어올 수 있다”고 밝혔다.

2018년 11월, 보이저 2호는 헬리오포즈를 통과하여 태양계를 떠난 역사상 두 번째 인공물이 되었다. 쌍둥이 탐사선 보이저 1호는 2012년 8월 최초로 성간 공간으로 진출했지만, 기기 고장으로 인해 헬리오포즈에 관한 데이터를 제대로 분석할 수 없었다. 보이저 2호가 성간 공간 여행에서 수집한 방사선 데이터에 따르면, 헬리오포즈의 온도는 섭씨 3만1000도에 달했다. 이전 천문학적 모델이 예측한 온도의 약 두 배로, 태양풍과 우주선 간의 충돌이 훨씬 더 격렬함을 시사하는 것이다.

헬리오포즈의 뜨겁고 두꺼운 플라스마 벽은 우주를 뚫고 지나가는 대부분의 유해한 광선으로부터 태양계를 보호하지만, 그 경계면이 예상만큼 균일하지 않다는 사실도 발견했다. 헬리오포즈 가장자리는 결국 완벽한 '거품막'은 아니며, 어떤 지역에는 성간 방사선이 침투할 수 있는 구멍들이 있다는 것이다.

보이저 2호의 데이터는 헬리오포즈 경계에서 이런 구멍 두 개를 감지했다. 여기서 측정되는 방사선 수준은 정상치보다 훨씬 높은 것을 감지했다. 우주 방사선의 수준이 급등하여 그 상태를 유지했다는 것은 보이저 2호가 태양계를 벗어나 새로운 공간 영역으로 들어갔다는 것을 의미한다. 우리 태양계를 보호하는 하전된 태양풍 외투는 완벽하지 않을 수 있지만, 보이저 2호가 확인한 것처럼 아늑한 우리들의 보금자리를 사나운 우주 광야와 분리시키는 기능을 훌륭히 수행하고 있다. 우리가 헬리오포즈에 감사해야 하는 이유다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　　

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