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코로나그래프로 태양풍 가속의 실마리를 얻다 2021-01-18

코로나그래프로 태양풍 가속의 실마리를 얻다

- 천문연·NASA 첫 공동 개발 코로나그래프 관측 결과 공개

-  세계 최초 태양 외부 코로나의 온도·속도 동시 측정해 2차원 영상으로 구현

- 과학적 타당성 입증해 후속 국제우주정거장용 개발 탄력


□ 한국천문연구원은 미항공우주국(이하 ‘NASA’)과 공동으로 개발한 태양 코로나그래프(coronagraph)*의 관측 결과를 분석해 태양 코로나 영역에 존재하는 전자의 온도와 속도를 동시에 얻었다고 밝혔다. 

* 코로나그래프: 인공적으로 태양면을 가리고 코로나를 관측하는 장비. 


□ 천문연-NASA 공동연구진은 2019년 9월 18일 태양 코로나그래프를 대형 과학용 풍선기구에 탑재해 고도 약 40km 성층권 상공에서 태양 외부 코로나 관측을 성공리에 수행했다. 천문연은 이 관측 자료를 NASA와 공동으로 분석해 외부 코로나 구조물이 약 일백만도의 온도와 초속 260km의 속도를 갖는다는 것을 발표했다. 이는 태양 코로나 영역 전자의 온도와 속도를 세계 최초로 동시에 측정한 것으로 차세대 코로나그래프의 핵심 기술을 성공적으로 검증했음을 의미한다.


□ 태양 코로나는 태양 대기의 가장 바깥 영역으로 태양 표면인 광구에 비해 밝기는 어두운 반면 온도는 훨씬 높다. 또한 태양 코로나 영역은 태양풍이라 부르는 빠른 속도의 플라스마 방출을 통해 태양계 전체로 확장되는데 이 같은 코로나의 높은 온도와 빠른 태양풍의 가속 기작은 아직까지 밝혀지지 않은 과학적 난제이다. 


□ 일반적인 코로나그래프는 편광 관측을 통해 K-코로나* 영역의 전자 밀도 측정만 가능하다. 그러나 천문연과 NASA가 공동으로 개발한 코로나그래프는 편광 관측은 물론, K-코로나 전자의 온도와 속도 변화에 민감하게 반응하는 네 개 파장의 필터를 장착해 온도와 속도 값을 동시에 2차원 영상으로 구현할 수 있도록 고안된 최초의 코로나그래프이다. 

*K-코로나: 코로나는 빛이 나오는 방식에 따라 K-코로나, F-코로나, E-코로나로 구분한다. K는 연속이라는 뜻을 갖는 독일어 ‘kontinuierlich’의 첫 글자. K-코로나에서는 태양 광구에서 나온 빛이 자유 전자들에 의해 산란되어 매끈한 연속 스펙트럼으로 나온다.


□ 천문연은 이번에 검증한 코로나그래프의 핵심기술을 바탕으로 향후 NASA와 차세대 코로나그래프를 개발해 2023년께 국제우주정거장(ISS, International Space Station)에 설치할 예정이다. 국제우주정거장용 코로나그래프는 소호(SOHO, Solar and Heliospheric Observatory), 파커(Parker Solar Probe)와 같은 기존 태양 탐사선에 비해 훨씬 적은 비용으로 우주 공간에서 지구 대기의 간섭 없이 장기간 연속적인 태양 코로나 관측이 가능하다.


□ 이번 연구의 NASA 측 책임자인 나치무트 고팔스와미(Natchimuthuk Gopalswamy) 박사는 “태양 연구는 인류의 생활 전반에 영향을 미치는 중요한 연구이므로 NASA도 끊임없이 태양 탐사를 시도해왔다”며 “이번 성과는 NASA와 천문연이 지난 10년간 태양물리 분야에서 꾸준히  교류해온 협력 연구의 실질적인 성과”라고 밝혔다.


□ 한국측 연구책임자인 천문연 김연한 책임연구원은 “이번 국제우주정거장용 코로나 그래프 개발은 저비용 고효율의 태양 탐사 연구에 대한 독자적 활로를 개척함과 동시에 태양 연구의 난제인 코로나 가열과 태양풍 가속 비밀의 실마리를 푸는 데 큰 기여를 할 것”이라고 밝혔다. 


□ 태양 코로나의 온도와 속도 분포를 동시에 측정한 이번 연구 결과는 태양물리저널(Solar Physics) 2021년 1월 12일자에 게재됐다. (보도자료 끝. 참고자료 있음.)


[참고1] 영상

□ NASA-KASI 공동개발 코로나그래프 관측 연구결과 NASA 연구책임자 인터뷰: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLMKHbDeROcO_Q~~.zip

□ NASA-KASI 공동개발 코로나그래프 BITSE 2019년 9월 18일 발사 영상: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLMKHLneTeQK-g~~.zip


[참고2] 그림


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그림1. 코로나그래프로 얻은 태양 코로나 스트리머(좌우로 길쭉하게 뻗어 나온 구조물). 가운데 원이 태양이 가려진 부분이고 원 주변에 존재하는 외부 코로나를 확인할 수 있다. (a)는 편광밝기 영상이며 같은 영역의 온도(b)와 입자의 속도(c) 분포를 알 수 있다. 


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그림2. 천문연-NASA가 공동개발한 태양 코로나그래프


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그림3. 2019년 9월 18일 코로나 관측을 위해 발사 중인 과학용 풍선기구


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그림4. 2019년 9월 18일 과학용 풍선기구에 실려 성층권에서 관측 중인 코로나그래프


[참고3] 용어 설명 


□코로나

태양 대기의 가장 바깥층을 구성하고 있는 부분이다. 태양에 대해 정확한 이해가 없었던 시기에는 코로나가 달의 대기라고 오해하기도 했다. 1842년 7월 8일 진행된 개기일식 때에서야 태양의 코로나와 홍염이 태양 대기의 일부분이라는 사실을 알게 됐고, 1932년과 1940년 개기일식 때 관측한 분광관측 자료를 통해 코로나의 온도가 태양 표면보다 월등히 높다는 것을 알게 됐다. 태양의 표면 온도는 6000도 정도지만 대기층인 코로나의 온도는 100만~500만도이다. 물리학 법칙에 따르면 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하기 때문에 태양 내부 핵의 열이 순서대로 전달된다면 표면이 코로나보다 더 뜨거워야 한다. 하지만 태양 대기인 코로나 전자의 온도가 광구보다 월등히 높은 이유는 아직 밝혀지지 않았다.

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2017년 8월 미국에서 개기일식 동안 지상서 관측한 태양 코로나


가시광 코로나는 빛을 내는 방식에 따라 K-코로나, F-코로나, E-코로나로 구분한다. K-코로나는 한마디로 전자 코로나 혹은 연속 코로나이다. K는 연속이라는 뜻을 갖는 독일어 kontinuierlich의 첫 글자를 딴 것이다. 태양 광구에서 나온 빛을 매우 뜨거운 자유 전자들이 산란시켜 매끈한 연속 스펙트럼 빛을 내는 코로나이다. F-코로나는 프라운호퍼(Fraunhofer) 코로나 혹은 먼지 코로나이다. 태양 광구의 빛을 먼지 입자들이 산란시켜 흡수선들이 잘 보이는 스펙트럼을 내는 코로나이다. E-코로나는 방출(emission) 코로나이다. 자체적으로 빛을 내는 뜨거운 플라스마로 이루어진 코로나이다.


06

태양의 내외부 구조. 중심에서부터 바깥쪽으로 핵, 복사층, 대류층, 광구, 채층, 코로나 등이 있다. 

태양 중심에서 광구로 나아가며 온도는 낮아지지만 대기층인 코로나에서는 수백만 도까지 가열된다. 

이러한 코로나 가열현상의 원인은 아직 알 수 없으며, 공동연구진은 이번 연구를 통해 그 실마리를 찾을 것으로 기대하고 있다. 

코로나에서 가속된 전자는 지구 주변 환경에 직접적인 영향을 미치기도 한다.


□ 코로나그래프

일식은 달이 지구와 태양 사이를 지나면서 태양을 가리는 현상으로 태양의 전체를 가리는 것을 개기일식이라 한다. 연구자들은 개기일식을 태양 코로나 연구를 위한 절호의 기회로 활용하지만, 개기일식은 지속시간이 2~3분에 불과하고, 접근이 가능한 육상에서 볼 수 있는 기회가 흔치 않다. 이러한 단점을 극복하기 위해 인공적으로 태양면을 가리고 코로나를 관측하는 장비가 바로 코로나그래프이다. 그러나 지상에서 활용되는 코로나그래프는 대기의 산란현상으로 인해 정밀한 관측이 어렵다.

대표적인 코로나그래프는 태양관측 위성 소호(SOHO)에 탑재된 라스코(LASCO)로 지난 20여 년 동안 코로나 지역을 감시하며 과학적 성과를 이루었으나 노후로 인해 조만간 운용을 마치게 된다. 


□ 태양풍

태양풍은 태양에서 불어오는 바람이다. 이 태양풍에는 양성자와 전자 등 미립자들이 포함되어 있으며, 매초 약 100만 톤의 질량이 태양에서 방출된다. 이것이 지구의 공전궤도에 도착할 즈음 속력은 약 200~750km/s 이다.

태양풍은 크게 빠른 태양풍과 느린 태양풍으로 나눌 수 있다. 빠른 태양풍은 약 750km/s의 속도이며 코로나 구멍과 연관이 깊다. 느린 태양풍은 빠른 태양풍에 비해 절반 정도의 속도이며, 코로나의 닫힌 자기장에 얽혀 흘러 다니는 물질들로부터 생성된다고 알려져 있다. 하지만 얼마만큼의 닫힌 자기장 물질이 자기재연결을 통해 태양풍으로 유입되는지, 그리고 그 과정에서 얼마만큼의 에너지가 태양풍 가속에 기여하는지는 아직 잘 알려져 있지 않다.


□ 스트리머

스트리머는 태양 광구에서 0.5-1 태양반경 떨어진 거리에서 시작해 10 태양반경 거리까지 뻗친 바큇살 모양의 코로나 구조물이다. 밀도가 코로나 평균의 3~10배 가량이라 주변보다 밝게 보인다. 


[참고 3] 논문 및 연구팀 

ㅇ 논문명: The Balloon-born Investigation of Temperature and Speed of Electrons in the corona (BITSE): Mission Description and Preliminary Results

ㅇ 게재지: Solar Physics, 2021년 1월 12일자

ㅇ 연구팀: 

  - 한국천문연구원: 김연한, 조경석, 최성환, 백지혜, 봉수찬, 양희수, 박종엽 김지헌, 박영득 이재옥, 김록순, 임은경

  - NASA: N. Gopalswamy, J. Newmark, S. Yashiro P. Mäkelä, N. Reginald N. Thakur, Q. Gong


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