태양탐사를 위한 노력, 파커 태양 탐사선

태양탐사를 위한 노력, 파커 태양 탐사선

 

1. 태양풍에 대한 연구의 역사

 

태양은 빛과 같은 전자기파 뿐만 아니라 다른 입자들도 지구로 날려보냅니다. 이것은 양성자와 전자 등의 미립자들로 이루어집니다. 태양 상부 대기층에서 형성되어 방출되는 전하 입자의 흐름을 태양풍(solar wind)이라 합니다.

 

태양풍은 오로라와 혜성의 꼬리로 증명됩니다. 태양풍의 수많은 이온들이 지구에 도달하여 지구의 극지방 상층부 대기와 만나서 상호작용하면 오로라를 형성하게 됩니다. 혜성의 꼬리는 먼지 꼬리와 이온 꼬리를 가지고 있는데, 이중 이온 꼬리는 혜성이 태양에 접근할 때 태양풍으로 인해 태양 반대 방향으로 형성됩니다.

 

 

태양 관찰을 위한 최초 인공위성의 발사는 1950년대에 시작되었습니다. 최초의 탐사선들은 지구 궤도 가까이에서 태양을 돌면서 태양풍과 자기장에 관한 연구를 하기 시작했습니다.

 

1970년대에 미국과 독일이 공동으로 쏘아 올린 스카이랩 아폴로 우주 망원경과 헬리오스 탐사선은 태양의 코로나에서 방출하는 물질에 관하여 연구하기 시작하였고, 태양풍과 밀접한 관계가 있다는 것을 밝혀냈습니다.

 

2. 파커 태양 탐사선

 

파커 태양 탐사선(Parker Solar Probe)은 태양 외부 코로나를 조사하기 위한 NASA의 무인 탐사선입니다. 2018년에 발사되었으며, 금성만 7번의 스윙바이를 한 후 태양궤도로 진입하게 됩니다. 2025년 시속 65만KM를 기록할 예정이며 현재까지 인간이 만든 물체중에서 가장 빠른 속도를 기록하게 될 것입니다. 스윙바이 또한 현재까지 최다 기록이 됩니다.

 

참고로 스윙바이를 하는 이유는 탐사선을 태양으로 바로 발사하면 지구의 이동속도 등의 오차로 인하여 태양궤도에 바로 진입하지 못하고, 살짝 꺾인채 우주공간으로 이탈하게 됩니다. 스윙바이를 통해 원일점을 차차 줄여서 태양 궤도에 올바로 진입할 수 있게 되며, 파커 태양탐사선은 태양에 최대 590만km까지 접근하게 됩니다.

 

지구와 태양까지의 거리가 약 1억5천만km로 태양과 지구의 거리를 100으로 가정하면 약 4까지 접근하게 되는 것입니다.

 

파커 태양 탐사선이 태양에 가장 가까이 다가가는 거리는 태양의 외부 대기층인 코로나에 해당하는 곳입니다. 추정 온도는 100만도를 훨씬 넘을 것으로 예상됩니다. 이 처럼 높은 온도에서도 파커 태양 탐사선이 녹지 않고 임무를 수행할 수 있는 이유는 다음과 같습니다.

 

먼저 온도와 열의 개념부터 알아보겠습니다. 온도는 입자들이 얼마나 빨리 움직이는지를 측정하고, 열은 입자들이 전달하는 총 에너지 양을 측정합니다. 입자들이 빠르게 움직이면 온도가 높게 측정되지만, 입자들이 아주 적으면 많은 에너지가 전달되지 못합니다.

 

우주는 대부분 비어 있으므로 코로나의 온도가 매우 높지만 파커 호에 에너지를 전달할 수 있는 입자가 거의 없습니다. 이를 비유하면, 200도의 온도인 오븐에 손을 넣는 것과 100℃의 끓는 물에 손을 넣는 것의 차이로 예를 들 수 있습니다. 물속의 열에너지는 보다 많은 입자가 밀집되어 있으므로 순간적으로 열을 더 많이 받기 때문에 바로 화상을 입을 수 있습니다.

 

파커 태양 탐사선에는 태양열을 막아주는 방패 형태의 열 보호 시스템(TPS)이 장착돼 있습니다. 육각형 모양의 지름 2.43m의 TPS는 두 개의 탄소 플레이트 사이에 탄소 합성 폼을 삽입해 태양열을 보호할 수 있는 첨단기술로 제작되었습니다. TPS는 최대 1650℃까지 버틸 수 있도록 설계되었습니다. 또한, 많은 열을 처리하기 위해 흰색 세라믹 페인트로 마감하였습니다. 그 외에도 파커 태양 탐사선 표면에 약 11.43㎝ 두께의 방열판을 설치 하였습니다. 덕분에 외부 온도가 1371℃까지 오르더라도 탐사선 내부는 29.5℃로 유지되는 것으로 알려졌습니다.

파커 태양 탐사선 열에 대한 보호장치

 

파커 태양 탐사선에 장착된 기기들도 자동으로 TPS 뒤로 숨을 수 있게끔 설계되었습니다. 예를 들면, 탐사선 동력 공급을 위한 태양전지판은 태양에 너무 가까이 가면 과열될 수 있어 태양에 접근할 때마다 태양열 집열기는 TPS의 그림자 뒤로 접혀 들어가 아주 적은 부분만 노출됩니다.

 

또, TPS가 태양열을 막아주는 그림자 가장자리에는 센서들이 여러 개 부착되어 있습니다. 센서들 중 하나라도 태양광을 감지하면 즉시 중앙 컴퓨터에 신호를 보내 직사광선을 받지 않도록 탐사선의 자세를 변경시킬 수 있습니다.

 

 

3. 임무

 

파커 태양 탐사선의 임무는 세 가지입니다. 첫 번째는 지난 수십 년간 미스터리로 남아 있는 코로나에 대한 비밀을 밝히는 것입니다. 태양 표면의 온도는 약 5800℃로 추정되는 데, 그보다 위쪽의 코로나는 약 300배나 더 뜨겁습니다. 이러한 이상 현상을 [코로나 가열]이라 부르는 데, 파커 태양 탐사선은 코로나로 직접 날아가 태양의 외곽 대기가 그처럼 형성되는 것인지를 밝혀낼 계획입니다.

 

또 하나는 태양풍입니다. 태양의 모든 방향에서 초속 수백㎞로 뛰어나오는 태양풍은 태양의 코로나에서 뿜어져 나오는 물질 입자로 구성됩니다. 이 입자가 그렇게 빠른 속도로 가속되는 원리를 파커 태양 탐사선은 밝힐 계획입니다.

 

마지막은 우주 날씨와 관련이 깊은 코로나 질량 방출입니다. 코로나 질량 방출은 태양으로부터 뿜어져 나와 지구의 전력망이나 통신에 영향을 미칩니다. 하지만 인류는 아직 이 같은 폭발의 원리를 완전히 이해하지 못하고 있고, 언제 어디에서 일어날지도 예측할 수 없습니다.