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태양권

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목차

1. 개요

태양권은 태양풍과 성간 물질의 상호 작용으로 형성되는 거대한 영역으로, 태양계의 경계를 정의한다. 20세기 중반 태양풍 발견과 함께 개념이 등장했으며, 파이오니어, 보이저 계획 등의 우주 탐사를 통해 연구가 진행되었다. 태양권은 태양풍, 헬리오시스, 헬리오포즈, 태양권계면 등으로 구성되며, 헬리오포즈를 지나 성간 공간으로 진입한 보이저 1호와 2호의 탐사 데이터는 중요한 이정표가 되었다. 대한민국도 차세대 소형 위성 개발을 통해 태양권 연구에 참여하고 있으며, NASA는 보이저의 관측을 활용하기 위해 성간 매핑 및 가속 탐사선 (IMAP) 임무를 준비하고 있다.

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태양권

2. 역사

태양풍이 발견되면서 태양권의 개념이 등장했다. 1959년 1월, 루나 1호는 최초로 태양풍을 관측했다.[63] 1962년에는 마리너 2호가 태양풍을 감지했다.[64]

1972년 발사된 파이오니어 10호는 화성 너머의 태양권을 탐사한 최초의 우주선으로, 1997년까지 최대 67 AU 거리에서 태양풍 데이터를 수집했다.[55] 1973년 발사된 파이오니어 11호는 1995년 임무 종료 시점까지 44.7 AU 거리에서 태양권 데이터를 수집했다.[55] 1977년에 발사된 보이저 1호와 보이저 2호는 2010년대 후반까지 작동하며 태양권의 다양한 측면을 탐사했다.[59]

2004년, 보이저 1호는 말단충격을 통과하고 헬리오시스에 진입했다.[24] 2012년 8월 25일, 보이저 1호는 태양권계면을 통과하여 태양권을 벗어난 최초의 인공 물체가 되었다. 2018년 11월 5일, 보이저 2호도 태양권계면을 통과했다. 보이저 1호와 2호는 성간 공간에 진입한 유일한 인공 물체이다.[60]

2005년, SOHO의 관측 결과는 태양권의 형태가 축대칭이 아니라 왜곡되어 있음을 보여주었다. 2009년에는 IBEX 프로젝트를 통해 태양권계면에서 기원하는 고에너지 중성 원자 방출 영역이 발견되었다. 2012년 IBEX 데이터는 뱃머리 충격파가 없을 가능성을 시사했다. 2018년, 뉴 호라이즌스 우주선은 1992년 보이저 우주선이 처음 감지한 수소벽의 존재를 재확인했다.[39][40]

3. 구조

태양권은 태양풍과 성간매질의 상호작용으로 형성되는 거대한 영역이다. 헬리오스피어라는 이름에도 불구하고, 태양권은 완벽한 구형이 아니다. 그 모양은 성간 매질(ISM), 태양풍, 그리고 ISM을 통과하는 태양과 헬리오스피어의 전반적인 움직임, 이 세 가지 요인에 의해 결정된다. 태양풍과 ISM은 모두 유체이기 때문에 헬리오스피어의 모양과 크기도 유동적이다. 태양풍의 압력은 특정 위치에서 ISM의 외부 압력보다 훨씬 빠르게 변화하며, 특히 11년 태양 주기의 영향이 상당하다.

2005년 3월, 소호 태양 관측 위성은 태양권이 축대칭이 아니고 왜곡된 형태라는 것을 밝혀냈으며, 이는 국부은하 자기장의 영향으로 보인다.[90] 메라브 오퍼는 2020년에 헬리오스피어의 모양이 초승달 모양, 즉 풀 죽은 크루아상으로 묘사될 수 있다고 결론 내렸다.[3][4][5]

태양권은 태양의 영향을 받는 영역으로, 시작부터 가장자리까지 말단충격, 헬리오시스, 태양권계면(헬리오포즈)의 세 가지 주요 구역으로 나뉜다.

3. 1. 태양풍

태양 코로나로부터 나오는 이온 입자 및 자기장으로 구성되어 있다. 태양이 27일에 한번 자전함에 따라 태양풍에 의해 전달되는 자기장은 나선 형태를 지닌다.[90] 태양 자기장의 변동은 태양풍에 의해 지구로 전해지며, 지구 자기권에 영향을 주어 지자기폭풍을 발생시킨다.

태양풍은 태양에서 생성되어 우주로 쏟아져 나오는 입자(이온화된 태양 코로나의 원자)와 자기장과 같은 장으로 구성된다. 태양은 약 25일에 한 번 자전하기 때문에, 태양풍에 의해 운반되는 행성간 자기장[6]은 나선형으로 꼬이게 된다. 태양풍은 태양계의 다른 많은 시스템에 영향을 미친다. 예를 들어, 태양 자체의 자기장의 변화는 태양풍에 의해 바깥으로 운반되어 지구의 자기권에서 지자기 폭풍을 발생시킨다.

3. 2. 헬리오시스

헬리오시스는 말단충격파와 태양권계면(헬리오포즈) 사이의 영역으로, 태양풍이 성간매질과 만나 속도가 느려지고 압축되는 곳이다. 태양계에서 헬리오시스는 태양으로부터 80~100 AU 떨어진 곳에 위치한다.

이전에는 헬리오시스가 혜성의 코마와 유사하게 한쪽 면에는 둔한 코를, 뒤쪽에는 혜성 모양의 헬리오테일을 형성할 것이라고 생각되었다. 풍상측에서는 그 두께가 10~100 AU 사이로 추정되었다. 그러나 2009년의 관측 결과는 이러한 모델이 틀렸음을 보여주었다.

2011년, 헬리오시스는 자기 거품으로 채워진 "거품 지대"로 여겨진다는 연구 결과가 발표되었다.[16] 이 자기 거품들은 각각 폭이 약 1 AU이며, 태양풍과 성간 물질의 충돌로 생성된다.[16][17][18] ''보이저 1호''와 ''보이저 2호''는 각각 2007년과 2008년에 거품의 증거를 감지하기 시작했다. 소시지 모양의 거품은 태양풍이 느려지면서 반대 방향으로 향하는 태양 자기장의 영역 사이에서 자기 재결합에 의해 형성되며, 행성간 자기장에서 분리된 독립적인 구조를 나타내는 것으로 추정된다.

''보이저 1호''는 약 113 AU 거리에서 헬리오시스 내의 '정체 영역'을 감지했다.[19] 이 영역에서 태양풍은 0으로 느려지고,[20][21][22][23] 자기장 강도가 두 배로 증가했으며 은하에서 오는 고에너지 전자가 100배 증가했다.

3. 3. 헬리오포즈

헬리오포즈는 태양권과 성간 공간 사이의 경계면으로, 태양풍의 압력과 성간매질의 압력이 균형을 이루는 곳이다. 이곳을 통과하면 태양풍으로 하전된 입자의 온도가 급격히 떨어지고,[1] 자기장의 방향이 바뀌며, 은하 우주선의 수가 증가한다.[50]

2012년 5월, ''보이저 1호''는 우주선의 급격한 증가(2009년 1월부터 2012년 1월까지 25% 증가, 그 후 한 달 만에 9% 증가)를 감지하여 헬리오포즈에 접근하고 있음을 시사했다.[50] 2012년 8월 말과 9월 초 사이에는 태양에서 나오는 양성자의 수가 급격히 감소하는 것이 관측되었다. 2013년 9월, NASA는 ''보이저 1호''가 2012년 8월 25일에 태양으로부터 121AU 떨어진 헬리오포즈를 통과했다고 발표했다.[51][25] 예측과는 달리, ''보이저 1호''의 데이터는 은하의 자기장이 태양의 자기장과 일치한다는 것을 나타낸다.[26]

2018년 11월 5일, ''보이저 2호''는 저에너지 이온 플럭스의 급격한 감소와 우주선 수준의 증가를 감지했다. 이는 탐사선이 태양에서 119AU 떨어진 거리에서 헬리오포즈를 통과했음을 보여주었다. ''보이저 1호''와는 달리, ''보이저 2호''는 헬리오시스를 통과하는 동안 성간 플럭스 튜브를 감지하지 못했다.[27]

3. 4. 태양권계면

태양풍이 성간매질과 처음 만나는 경계면을 태양권계면이라고 한다. 태양으로부터 명왕성 궤도 너머까지 퍼져나가는 초음속의 태양풍은 성간매질과 만나 말단충격을 거치며 아음속으로 속도가 줄어든다. 이후 약 100km/s 정도로 느려진 태양풍은 헬리오시스라고 불리는 영역에서 혜성과 같은 꼬리 모양을 형성하며 성간매질 속으로 흘러간다.

태양권계면은 헬리오시스의 바깥쪽 면으로, 태양권이 성간매질과 접하는 부분이다. 태양권계면 바깥에는 뱃머리 충격파 영역이 존재하는데, 이곳은 태양권계면과 성간매질의 상호작용이 격렬해지는 곳이다.[33]

태양권의 외부 구조는 태양풍과 성간 공간의 바람 사이의 상호 작용에 의해 결정된다. 헬리오포즈는 태양풍이 성간 매질에 의해 멈추는 이론적인 경계로, 이곳에서 태양풍과 성간 매질의 압력이 균형을 이룬다. 헬리오포즈를 통과할 때 태양풍으로 하전된 입자의 온도는 급격히 떨어지고,[1] 자기장의 방향이 바뀌며, 은하 우주선의 수가 증가한다.[50]

2012년 8월, 보이저 1호는 태양으로부터 121AU 떨어진 지점에서 헬리오포즈를 통과했다.[51][25] 보이저 1호의 데이터는 은하의 자기장이 태양의 자기장과 일치한다는 것을 보여준다.[26] 2018년 11월에는 보이저 2호가 태양에서 119AU 떨어진 거리에서 헬리오포즈를 통과했다.[27]

3. 5. 태양권 전류 시트

태양권 전류 시트는 태양의 회전하는 자기장에 의해 태양권에 생성되는 물결이다. 태양권을 따라 확장되는 태양권 전류 시트는 태양계에서 가장 큰 구조로 간주될 수 있으며, "발레리나의 치마"와 닮았다고 한다.[72] 이 시트는 반대 극성을 가진 태양권 자기장 영역 사이의 경계를 나타낸다.

3. 6. 수소 벽

수소 벽은 활성 충격파와 헬리오포스 사이에 존재할 것으로 예측되는 뜨거운 수소로 이루어진 지역이다.[37] 이 벽은 태양권 가장자리와 상호 작용하는 성간 물질로 구성되어 있다. 2013년에 발표된 한 논문에서는 활성파와 수소 벽의 개념을 연구했다.[48]

2018년 8월, 뉴 호라이즌스 우주선에 의한 수소 벽에 대한 장기 연구는 1992년에 두 대의 보이저 우주선에 의해 처음 감지된 결과를 확인했다.[39][40] 뉴 호라이즌스의 관측은 보이저의 이전 관측보다 훨씬 높은 민감도를 가지며, 수소가 추가적인 자외선(다른 출처에서 올 수 있음)에 의해 감지된다는 것을 뒷받침한다.[41]

3. 7. 뱃머리 충격파 (Bow Shock)

오랫동안 태양은 성간 공간 내에서 이동하면서 "충격파"를 생성한다고 가설이 제기되었다. 이는 성간 물질이 태양을 향해 초음속으로 이동하고, 태양풍이 태양에서 "멀어지며" 초음속으로 이동하는 경우에 발생한다. 성간풍이 태양권에 부딪히면 속도가 줄어들면서 난류 영역이 생성된다. 뱃머리 충격파는 약 230 AU에서 발생할 것으로 생각되었지만, 2012년에는 실제로 존재하지 않을 가능성이 높다고 결론이 내려졌다. 이러한 결론은 새로운 측정 결과에서 비롯되었다. 태양에 대한 국소 성간 매질(LISM)의 속도는 이전에 ''율리시스''에 의해 26.3 km/s로 측정되었지만, IBEX는 23.2 km/s로 측정했다.[42]

이 현상은 현재 퇴역한 NASA의 궤도 GALEX 망원경에 의해 태양계 외부, 즉 태양 이외의 다른 별 주변에서도 관측되었다. 고래자리의 적색 거성 미라는 별에서 방출된 파편 꼬리와 함께 공간을 통해 이동하는 방향(초당 130킬로미터 이상)에서 뚜렷한 충격을 받는 것으로 나타났다.

4. 탐사

태양권 탐사는 20세기 중반부터 시작되어 현재까지 활발하게 진행되고 있다.

헬리오시스에 돌입하는 보이저 1호


태양권계면의 정확한 거리 및 모양은 아직 정확하게 알려져 있지 않다. 파이어니어 10호, 파이어니어 11호, 보이저 1호, 보이저 2호 같은 행성간 우주선들이 태양계 밖을 향해 탐사 중에 있으며, 이들은 언젠가 태양권계면을 통과할 것으로 예상된다. 2004년 12월, 보이저 1호가 말단충격을 지나 94 천문 단위(AU) 떨어진 태양권덮개에 진입했다는 발표가 2005년 5월에 있었다.[24]

태양권은 태양의 영향을 받는 영역으로, 헬리오권 자기장과 태양으로부터의 태양풍이 이 영역의 가장자리를 결정하는 주요 요소이다. 태양권은 종단 충격파, 헬리오시스, 헬리오포스의 세 부분으로 나뉜다. ''파이오니어 10호''(1972–1997; 67 AU까지 데이터 획득), ''파이오니어 11호''(1973–1995; 44 AU), ''보이저 1호''와 ''보이저 2호''(1977년 발사, 현재 진행 중), 뉴 호라이즌스(2006년 발사) 등의 우주선이 태양권 가장자리에서 많은 데이터를 보내왔다. 에너지 중성 원자(ENA)라는 입자 또한 태양권 가장자리에서 생성되는 것으로 관찰되었다.

태양풍은 태양 코로나의 매우 뜨거운 표면에서 시작하여 탈출 속도에 도달, 초당 300~800 km(시속 671,000~1,790,000 mph 또는 시속 1,000,000~2,900,000 km)의 속도로 뿜어져 나온다.[47] 태양풍은 성간 매질과 상호 작용하면서 속도가 느려지다가, 음속 이하로 느려지는 지점을 종단 충격파라고 한다. 이후 헬리오시스를 지나면서 계속 느려지다가 성간 매질과 태양풍 압력이 균형을 이루는 헬리오포스라는 경계에 도달한다. ''보이저 1호''는 2004년에,[24] ''보이저 2호''는 2007년에 종단 충격파를 통과했다.

성간 경계 탐사선(IBEX)의 데이터에 따르면, 태양의 성간 매질 통과 속도가 활 충격파 형성에는 너무 낮아, 활 충격파 대신 더 부드러운 "활파"가 존재할 수 있다.[48]

''보이저''의 데이터는 헬리오시스에 "자기 버블"과 정체 구역이 있다는 새로운 이론을 제시했다.[19][49] 2010년, ''보이저 1호''는 113 AU 부근 헬리오시스 내에서 태양풍 속도가 0으로 떨어지고, 자기장 강도가 두 배로 증가하며, 고에너지 전자가 100배 증가하는 "정체 영역"을 감지했다.[19]

2012년 5월, ''보이저 1호''는 우주선의 급격한 증가를 감지했는데, 이는 헬리오포스 접근을 나타내는 신호였다.[50] 2013년 여름, NASA는 ''보이저 1호''가 2012년 8월 25일 성간 공간에 도달했다고 발표했다.[51] 2012년 12월, NASA는 ''보이저 1호''가 "자기 고속도로"라는 새로운 영역에 진입했다고 발표했다. 이 영역은 여전히 태양의 영향을 받지만 몇 가지 극적인 차이점을 보였다.[24]

''보이저 2호''는 2018년 11월 5일에 헬리오포스를 통과했다.[61] NASA는 보이저의 관측을 활용하기 위해 2025년에 성간 매핑 및 가속 탐사선(IMAP)을 발사할 예정이다.[60]

4. 1. 초기 탐사

에너지 중성 원자 지도 by IBEX. 출처: NASA / 고다드 우주 비행 센터 과학 시각화 스튜디오.


보이저 1호와 보이저 2호의 헬리오시스 감지 그래프. 보이저 2호는 이후 헬리오포스를 넘어 성간 공간으로 진입했다.


보이저 1호와 2호의 태양으로부터의 속도 및 거리


섬네일(Pioneer H), 국립 항공 우주 박물관에 전시된, 태양 연구를 위해 취소된 탐사선.]]

태양권의 초기 탐사는 파이오니어 10호와 파이오니어 11호에 의해 수행되었다. 이들은 1970년대에 발사되어 태양권에 대한 초기 데이터를 수집했다.[52] 파이오니어 10호는 1972년 3월에 발사되어 10시간 이내에 달을 지나갔으며, 약 35년 동안 태양권의 본질과 목성이 태양권에 미치는 영향에 대한 많은 발견을 했다.[52] 특히, 태양풍에서 나트륨과 알루미늄 이온, 그리고 태양계 내부에서 헬륨을 처음으로 감지했다.[52] 1997년 3월까지 과학 데이터를 반환했으며, 태양풍에 대한 데이터는 약 67 AU까지였다.[53] 파이오니어 11호는 파이오니어 10호로부터 1년 후에 발사되었으며, 1995년에 임무가 종료되었을 때 44.7 AU까지 파이오니어와 유사한 데이터를 수집했다.[55]

보이저 1호와 보이저 2호는 1977년에 발사되어 2010년대 후반까지 계속 작동하면서 태양권의 다양한 측면을 관측했다.[59] 보이저 1호는 1998년 2월 17일에 69.4 AU에서 파이오니어 10호의 태양으로부터의 거리를 넘어섰다.[56] 2023년 7월 18일에는 보이저 2호가 파이오니어 10호를 제치고 태양으로부터 두 번째로 멀리 떨어진 인공 물체가 되었다.[57]

초기 탐사에서 주목할 만한 결과는 다음과 같다.

  • 1992년, 파이오니어 및 보이저 탐사선은 태양권 수소에 의해 공명 산란된 Ly-α 방사선을 감지했다.[58]
  • 파이오니어와 보이저 우주선으로부터 얻은 데이터는 수소 벽 감지를 입증하는 데 도움이 되었다.[58]
  • 2004년, 보이저 1호는 말단충격에 도달했다.[24]
  • 2018년, 뉴 호라이즌스 우주선에 의한 수소벽에 대한 장기 연구는 1992년에 보이저 우주선에 의해 처음 감지된 결과를 확인했다.[39][40]


이러한 탐사선들의 데이터는 태양권의 구조와 성질에 대한 이해를 크게 향상시켰다.

4. 2. 카시니-호이겐스

카시니-호이겐스(카시니)호의 이온 및 중성자 카메라(MIMI / INCA) 데이터에 따르면, 태양권은 혜성 같은 형태가 아니라 거품 모양이다. ENA 지도에 따르면, 태양풍과 성간 매질의 충돌보다는 입자 압력과 자기장 에너지 밀도에 의해 상호작용이 더 많이 제어된다.[89]

4. 3. 성간 경계 탐사선 (IBEX)

IBEX 태양권 지도


성간 경계 탐사선(IBEX)은 2008년 10월에 발사된 태양권 탐사 위성으로, 태양권 경계에서 발생하는 고에너지 중성 원자(ENA)를 관측한다.[43] IBEX의 초기 관측 결과는 이전에 예측하지 못했던 "하늘에서 다른 것보다 2~3배 더 밝은 매우 좁은 리본"을 발견했다. 초기 해석에 따르면 "성간 환경이 이전에 누구도 믿었던 것보다 태양권을 구조화하는 데 훨씬 더 많은 영향을 미친다"는 것을 보여준다.[44]

"ENA 리본을 생성하는 것이 무엇인지 아무도 모른다..."

"IBEX 결과는 정말 놀랍습니다! 우리가 이 지도에서 보고 있는 것은 이 지역의 이전 이론 모델과 일치하지 않습니다. 과학자들이 이 (ENA) 지도를 검토하고 태양권과 은하와의 상호 작용 방식을 수정하는 것은 흥미로울 것입니다."[45] 2010년 10월, 두 번째 IBEX 관측을 바탕으로 6개월 후 리본에서 상당한 변화가 감지되었다.[46] IBEX 데이터는 활 충격파의 존재를 뒷받침하지 않았지만, 한 연구에 따르면 '활파'가 있을 수 있다.[48]

IBEX의 관측 결과는 태양권의 복잡한 구조를 밝혀내고 있으며, 기존 모델에 대한 수정을 요구하고 있다. ''카시니-호이겐스''(Cassini–Huygens)와 성간 경계 탐사선(IBEX)의 데이터는 2009년에 "헬리오테일" 이론에 도전했다. 2013년 7월, IBEX의 결과는 태양계의 헬리오스페어에 4개의 로브가 있는 꼬리를 보여주었다.[31]

4. 4. 대한민국 관련 탐사 현황

대한민국은 누리호 개발을 통해 우주 발사체 기술을 확보했으며, 이를 바탕으로 독자적인 우주 탐사 역량을 강화하고 있다. 한국천문연구원은 국제 협력을 통해 태양권 및 성간 공간 연구에 참여하고 있으며, 차세대 소형 위성 개발을 통해 독자적인 관측 데이터를 확보할 계획이다.

참조

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[2] 논문 Future Exploration of the Outer Heliosphere and Very Local Interstellar Medium by Interstellar Probe 2023
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[4] 웹사이트 Solar system's heliosphere may be croissant-shaped – study https://www.jpost.co[...] 2020-08-09
[5] 웹사이트 NASA says we all live inside a giant "deflated croissant", yes really https://www.newsweek[...] 2020-08-11
[6] 논문 The Heliospheric Magnetic Field 2013-11-28
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[17] 웹사이트 NASA Probes Suggest Magnetic Bubbles Reside At Solar System Edge http://www.nasa.gov/[...] NASA/JPL 2011-06-09
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[23] 논문 Zero outward flow velocity for plasma in a heliosheath transition layer 2011-06-16
[24] 웹사이트 NASA Voyager 1 Encounters New Region in Deep Space http://www.jpl.nasa.[...]
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