태양 연구자들, 달에 관심 많은 이유

조회수 2021. 04. 05. 17:16 수정
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By 이웃집과학자

NASA가 2024년까지 달에 우주비행사를 보내려는 '아르테미스 미션(Artemis mission)'을 수행하고 있습니다. 몇 가지 이유를 들어보죠. 달 자체를 연구해 화성으로 향하는 안전한 길을 닦기 위해 중요합니다. 달은 지구와 태양의 거대한 시스템의 일부입니다. 지구를 지키기 위해 많은 점을 배울 수 있는 좋은 장소입니다. 

출처: E. Masongsong, UCLA EPSS
아르테미스미션 관련 이미지.

태양 자체를 연구하고 태양이 지구에 미치는 영향을 살펴보는 태양물리학자(Heliophysicists)들도 아르테미스 미션에 참여해 임무를 수행합니다. 그들의 목표는 지구를 둘러싼 복잡한 우주 환경에 대해 더 잘 이해하는 겁니다. 이 시스템을 더 잘 이해할수록 우리는 우주 기술, 무선 통신, 유틸리티 그리드(Utility grids) 등을 태양으로부터 보호할 수 있습니다.


달은 안정된 인공위성일까?
출처: NASA's Scientific Visualization Studio/Ernie Wright

인공위성의 떨림, 지터(Jitter)라는 개념이 있습니다. 위성이 받는 가시선(Line of Sight)의 신호가 불안정하고 신호의 파형이 불규칙하게 변동하는 현상입니다. 인공위성은 생각보다 불안정합니다. 금속으로 제작됐기에 온도 변화에 따라 팽창하거나 수축합니다. 인공위성은 목표를 향해 그대로 회전하는 망원경을 탑재했는데요. 궤도를 유지하기 위해 추진 로켓을 점화하거나 회전에 반응하는 바퀴를 이용합니다. 이 각각의 조종법은 정밀도를 요구하는 측정을 떨어뜨릴 수 있는 지터(Jitter)를 발생시킵니다. 

이와 비교하면 달은 상황이 다릅니다. NASA 고다드 우주비행센터의 태양물리학자 David Sibeck는 "달은 굉장히 좋은 안정적인 장소이다. 달은 흔들리지 않고 우주선에서 발생하는 지터(Jitter) 현상도 없다"고 전했는데요. 덧붙여 "고해상도의 측정을 하려는 사람은 누구든지 지터(Jitter)를 걱정하지 않아 행복할 것"이라고 말했습니다. 

지터(Jitter)가 없는 환경은 모든 우주 과학에 있어 유리한 여견입니다. 특히 오로라를 연구하는 학자들에게는 보너스가 추가됩니다. 지구와 달 사이의 거리는 평균 384,448.141km 정도인데요. 이 거리 덕에 달에서 지구의 오로라를 관측하기 좋습니다. 지구의 거대한 지자기 폭풍(geomagnetic storms)이 발생하는 동안 적도를 향해 이동할 때 지구의 오로라를 제대로 관측할 수 있습니다. 게다가 달은 항상 같은 면이 지구를 향하기 때문에 망원경을 거의 조절할 필요가 없습니다. 달 표면에 망원경을 놓으면 이 망원경은 항상 지구를 향합니다.


원할 때마다 일식 가능
출처: NASA's Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab

우주 시대가 열리기 훨씬 전에 과학자들은 태양을 연구하기 위해 달에 집중했습니다. 참을성 많은 과학자들은 태양의 개기일식(total solar eclipses)을 기다렸고, 달이 태양의 밝은 표면을 가렸을 때 비로소 태양의 대기 가장 바깥층인 코로나를 관측할 수 있었습니다. 하지만 기다림은 길어질 수 있습니다. 개기일식은 18개월마다 지구의 어딘가에서 한 번씩 일어납니다. 어떤 특정한 장소든 4세기에 1번 꼴로 발생합니다. NASA 고다드 우주비행센터의 태양물리학자 John Cooper는 "우리는 일식을 통해 환상적인 결과를 얻을 수 있지만 매일 얻지는 못한다"고 말했습니다.


그런데 태양관측망원경을 달 주위를 도는 적절한 궤도에 놓으면 필요에 따라 일식을 발생시킬 수 있습니다. John Cooper는 망원경 시야를 달 뒤편으로 이동시키면 된다고 설명합니다. 달은 이미지를 왜곡시키는 대기가 없습니다. 때문에 이곳에서의 측정은 지구에서의 측정보다 훨씬 선명한 결과를 얻을 수 있습니다. John Cooper는 각 궤도를 돌때마다 태양의 동쪽과 서쪽 가장자리를 포함해 매일 두 개의 고해상도 이미지를 얻을 수 있을 것으로 추정합니다.


지구자기장 밖에서

우주의 기상은 태양물리학자들이 순수 과학을 실시간으로 시스템을 적용할 수 있는 부분입니다. 우주 기상학자들은 끊임없이 지속되는 태양풍이 지구에 미치는 영향에 대해 연구합니다. 이들은 우리의 귀중한 통신과 GPS 위성을 안전하게 유지하기 위해 이에 대한 기본적인 물리학을 숙지해야 합니다. 하지만 위성이 위험에 처해있는지 여부를 결정하는 건 까다로울 수 있습니다.  

위성의 안정성 부분은 지구자기장 안에 있는지 혹은 바깥에 있는지에 따라 달라질 수 있습니다. 자기권계면(magnetopause)은 지구자기장의 보호막이 끝나고 우주 기상에 완전히 노출되는 중간 지대입니다. 지구자기장 내에서는 안전하지만 밖은 그렇지 않습니다. 그 경계선이 어디인지 확실하게 알 수 있는 유일한 방법은 그 경계를 통과해 날아가는 겁니다. David Sibeck는 "때로는 데이터의 위글(Wiggle)이 나타나 경계선이 교차하는 걸 볼 수 있다"며 "우리는 10개의 위글(Wiggle)을 볼 때도 있다"고 말했습니다.

자기권계면(magnetopause)을 찾는 또 다른 방법이 있습니다. 당신이 지구자기장 밖으로 충분히 멀리 나가면 됩니다. 태양풍이 지구대기권 바로 바깥에 부딪히게 되면 X-ray를 방출합니다. 적절하게 배치된 X-ray 망원경은 그 빛을 포착하고 자기권계면(magnetopause)의 위치를 추적할 수 있습니다. 보스턴대학교의 우주과학자 (Brian Walsh)가 이끄는 연구팀에서 David Sibeck이 달에 X-ray 망원경을 설치하려는 이유도 이 때문입니다. David Sibeck은 "달은 지구 자기장 밖에서 이를 수행해줄 수 있는 좋은 위치에 있다"고 전했습니다.


NASA가 지난 7월 발표한 바에 따르면 달 표면에 심어져 실시간으로 지구의 자기권계면(magnetopause)을 찍게 될 LEXI 미션은 아르테미스 임무에 참여하는 최초의 달 탑재물 중 하나가 될 것이라고 합니다. 빠르면 2022년 달 표면에 설치될 예정입니다.


LEXI는 약 91.4cm보다 조금 더 길지만 달 표면은 더 거대한 X-ray 망원경을 수용할 수 있을 겁니다. 이는 매우 좋은 소식인데요. 왜냐하면 X-ray 망원경은 초점을 맞추기 어렵기 때문이라도 합니다. 더 큰 망원경은 훨씬 더 고해상도의 이미지를 얻을 수 있습니다. 하지만 X-ray 망원경을 대형화 하는 건 쉽지 않은 일입니다. 이를 운반할 만큼 위성이 크지 않기 때문입니다.


태양의 역사를 파헤칠 수 있다

태양물리학에서 몇 가지 질문에 대한 답은 달 자체에 묻혀 있습니다. NASA의 탐사담당 대리인 Steve Clarke는 "달은 타임캡슐과 같다"며 "달은 지구와 같은 시기에 형성됐기 때문에 그 표면에 태양계의 역사가 들어있다"고 전했습니다. 

첫 10억년 동안 태양은 현재보다 더 빠르게 회전하면서 더 많은 태양 폭발을 일으켰을 겁니다. 이는 행성이 형성된 공간을 대전시켰을 수 있습니다. 하지만 이를 확실하게 밝혀내기 위해서는 오래된 이 시점에 어떤 일이 일어났는지 알려줄 단서가 필요합니다. 달은 대기권, 액체 상태의 물, 판 구조론이 없기 때문에 역사적 기록물이 보관돼 있을 가능성이 큽니다. 수십억년 전 태양 폭발은 달의 먼지에 그대로 흔적을 남겼을 겁니다.


최근 'The Astrophysical Journal Letters'에 게재된 논문을 살펴봅시다. 연구팀은 달 샘플에 남아있는 나트륨과 칼륨과 같은 휘발성 물질(비등점이 낮은 원소)의 양을 측정하기 위해 달 먼지를 연구했는데요. 이 휘발성 물질들은 태양에서 발산되는 고에너지 입자가 달 표면을 강타할 때 발생합니다. 물질들이 시간이 지나며 얼마나 고갈됐는지 살펴본 결과 과학자들은 태양의 첫 10억년 동안을 넓은 맥락에서 파악할 수 있었다고 하는데요.


태양은 오늘날보다 더 빨리 회전했지만 비슷한 크기의 항성들보다는 약 50% 느리게 회전했다고 합니다. 그래서 폭발 횟수가 생각보다 적었습니다. NASA의 고다드 우주비행센터의 Prabal Saxena는 "훨씬 더 가혹한 환경이었을 수 있다"고 전했습니다.



달의 먼지에서 배울 수 있는 더 많은 고대의 역사가 존재합니다. 달은 자기장이 없지만 과거에는 있었을지 모릅니다. 아프테미스 미션을 통해 달의 극지방에서 수집한 샘플에서 과학자들은 그 안에 남아있는 휘발성 물질의 패턴을 통해 달의 자기장 변화가 있었는지 여부에 대해 밝혀낼 겁니다.

화성 탐사를 위한 시험대

우주 기상은 미래에 달과 화성에 있는 우주비행사들에게 지속적인 관심을 요구하는 분야입니다. 태양은 계속해서 걱정거리를 안겨줄 겁니다. 태양 플레어로 발생한 X-ray 빛이 달 표면에 도착하는데 8분밖에 안 걸립니다. 뜨겁고, 대전된 입자로 이뤄진 거대한 구름인 코로나 물질 분출(Coronal mass ejections)은 하루 안에 도달합니다. 태양고에너지입자( Solar energetic particles)는 드물긴 하지만 훨씬 더 빠르고 더 위험합니다. NASA 고다드 우주비행센터의 태양물리학자 Karin Muglach는 "태양고에너지 입자는 빛의 10~20% 속도로 1시간 이내에 우리에게 도달한다"며 "이는 총알 같다"고 말했습니다.

달은 빛의 속도로 1초 정도밖에 안 걸리기 때문에 지구 경보 시스템을 통해 충분히 우주비행사들을 지킬 수 있습니다. 하지만 Karin Muglach에 따르면 화성은 통신이 상당히 지연될 수 있다고 합니다. 따라서 NASA가 화성에 가기 전에 달에 가는 이유 중 하나는 화성에 우주비행사를 보내기 전에 달에서 이러한 보호시스템을 테스트하고 구축하기 위해서라고 합니다.


##참고자료##

  • Saxena, Prabal, et al. "Was the Sun a Slow Rotator? Sodium and Potassi
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