‘태양의 경계’는 거품처럼 끊임없이 변하며 뾰족하다

곽노필의 미래창
태양풍 물질이 돌아갈 수 없는 지점
태양 극대기엔 평소보다 30% 확장

태양 대기의 경계인 알프벤면을 묘사한 그림. 태양풍의 속도가 자기장을 벗어나는 지점이다. 이 지점을 벗어난 물질은 다시는 되돌아올 수 없다. 나사의 파커 태양 탐사선의 탐사 데이터와 유럽우주국의 솔라오비터, 지구에서 150만km 떨어진 지점에 있는 태양관측위성의 측정 데이터를 결합해 완성했다. 하버드-스미소니언천체물리학센터 제공

태양은 지구와 같은 고형 물질로 이뤄진 천체가 아니라 이온화된 물질들로 이뤄진 뜨거운 플라스마 상태의 거대한 집합체다. 고체와 달리 밀도와 온도, 압력이 끊임없이 변화한다. 따라서 믈질 상태나 에너지 전달 방식, 자기장, 중력 등의 물리 법칙이 바뀌는 지점, 즉 경계선이 다층적으로 존재한다. 어떤 기준에 따르더라도 경계선을 찾아내기란 쉽지 않다.

미국 하버드-스미소니언천체물리학센터 과학자들이 태양 대기의 경계인 알프벤면을 확정하는 지도를 처음으로 제작해 국제학술지 ‘천체물리학저널 레터스’에 발표했다.

알프벤면이란 태양의 중심에서 뿜어져 나오는 플라스마(태양풍)가 태양 자기장을 뚫고 바깥으로 튀어나가는 가상의 경계면을 말한다. 태양 중심에서 멀어질수록 플라스마의 속도는 빨라지고, 자기장의 힘은 약해져 결국엔 자기장이 플라스마를 가두지 못하는 교차점이 생긴다. 이 지점이 바로 알프벤면이다.

이 경계를 넘어서 빠져나온 물질은 초속 수백km의 속도로 태양계 전체로 퍼져나간다. 다시 말해 알프벤면은 태양을 탈출한 물질이 다시는 태양으로 돌아올 수 없는 지점이다. 이 지점에서 태양의 가장 바깥 대기층인 코로나도 끝난다. 플라스마는 알프벤면 안쪽에선 자기장을 따라 회전을 하면서 움직이다가, 알프벤면 바깥으로 나가는 순간 직선으로 뻗어나간다.

태양 탐사선 파커가 태양 대기 상층부인 코로나에 진입하는 모습을 묘사한 그림. 미 항공우주국 제공

경계면 변화는 우주날씨 예보에 중요

과학자들은 그동안 알프벤면이 정확히 어디에 있는지 계산 수치로만 짐작할 뿐이었다. 그러나 2018년 미국항공우주국(나사)이 쏘아올린 태양 탐사선 ‘파커 솔라 프로브’(이하 파커)가 처음으로 알프벤면을 통과하면서 사정이 달라졌다. 연구진은 탐사선이 측정한 태양풍 입자 데이터 덕분에 태양의 경계를 직접 검증할 수 있었다. 파커 탐사선은 2021년 이후 몇차례에 걸쳐 이 태양 경계면을 통과했다. 연구진은 파커 탐사선의 데이터와 더 먼 거리에 있는 유럽우주국의 솔라오비터, 지구에서 태양 쪽으로 150만km 떨어진 지점에 있는 태양관측위성 3대의 측정 데이터를 결합해 태양 경계면 지도를 완성했다.

논문 주저자인 샘 배드먼 박사(천체물리학)는 “이전에는 멀리서 태양 경계를 추정할 수밖에 없었고, 그 결과가 정확한지 확인할 방법도 없었지만, 이제 태양을 연구하는 데 사용할 수 있는 정확한 지도가 생겼다”고 말했다. 연구진은 태양 경계면의 정확한 지점을 파악하는 것은 태양풍의 영향에 대비하는 우주날씨 예보에 매우 중요하다고 강조했다.

태양을 향해 날아가는 파커 탐사선 상상도. 미 항공우주국 제공

태양 활동 활발할수록 더 넓어지고 뾰족해져

태양 활동에 따라 이 경계지점은 마치 거품처럼 끊임없이 변화한다. 배드먼 박사는 “태양 활동이 활발해질수록 경계는 더 넓어지고 끝은 뾰족해진다”며 “이는 과거에도 예측했던 것이지만 이제는 직접 확인할 수 있게 됐다”고 덧붙였다.

11년 주기로 극대기와 극소기를 오가는 태양 활동은 2025년 극대기를 통과한 것으로 추정된다. 연구진에 따르면 태양 활동이 극대기를 향해가는 지난 6년간 수집된 데이터는 태양 활동 증가와 함께 알프벤면이 최대 30% 팽창했음을 알려줬다.

연구진은 다가오는 태양 활동 극소기에도 연구를 이어가, 태양 주기 전체에 걸쳐 태양 경계면이 어떻게 변하는지 알아볼 계획이다.

*논문 정보

Multispacecraft Measurements of the Evolving Geometry of the Solar Alfvén Surface over Half a Solar Cycle.

DOI 10.3847/2041-8213/ae0e5c

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr