우주탐사선 관측과 컴퓨터 시뮬레이션으로 플레어 폭발 현상 규명!

연구 개요

우주에서는 다양한 폭발이 일어나고 있습니다. 여러분들이 가장 먼저 떠올리는 것은 초신성 폭발이 아닐까요? 별 자체가 폭발하기 때문에 상상을 초월하는 에너지가 방출됩니다. 하지만 우리 태양계 부근에서는 그렇게 쉽게 일어나지 않습니다(일어나면 큰일이지만…). 조금 더 가까운 폭발 현상으로 태양(항성) 플레어가 있습니다. 가시광선으로는 잘 보이지 않지만, X선이나 자외선 등으로 급격한 증광(폭발)을 볼 수 있습니다. 지금은 마침 태양활동이 활발한 시기에 접어들어 달에 100개가 넘는 흑점이 나타나고, 그 흑점 상공에서 대규모 플레어가 관측되고 있습니다. 작은 흑점도 지구 크기입니다. 더군다나 지구보다 큰 흑점이 모여 있는 곳에서 일어나는 태양 플레어가 얼마나 큰 폭발인지 짐작할 수 있을 것입니다(그림 1).

그리고 더 가까운 곳에서는 지구 자기권 극지방에서 관측되는 오로라 폭발이 있습니다. 오로라 폭발은 지상에서 보면 매우 아름다운 현상이지만, 실은 우주에서 폭발적으로 가속된 입자가 극지방 대기로 쏟아져 내리는 현상입니다. 이 입자의 가속은 지구 자기권 자기장의 에너지가 폭발적으로 방출되는 것과 관련이 있습니다. 그리고 앞서 말한 태양 플레어도 그 폭발의 에너지는 자기장의 에너지입니다. 이러한 자기장을 에너지원으로 한 폭발 현상이 저의 연구 대상입니다.

연구의 특징

지구(행성) 자기권에서는 주로 지구 자기장과 태양(태양풍) 자기장이 부딪히는 곳(낮쪽)과 지구 자기장이 연장된 지구 자기장끼리 부딪히는 곳(밤쪽) 두 곳에서 자기 에너지의 폭발이 일어나고 있습니다. 우주 플라즈마 연구의 가장 큰 장점 중 하나는 탐사선을 실제로 현상이 일어나고 있는 곳으로 보낼 수 있다는 점일 것입니다. 우리는 많은 탐사선을 그 폭발이 일어나고 있는 곳으로 보내 직접 관측을 하고 있습니다(그림 2). 하지만 상상해 보세요. 여러 대의 탐사선을 보낸다고 해도 탐사선은 넓은 자기권 공간의 몇 개 지점에 불과합니다. 이 탐사선들 사이의 공간을 채워주는 것이 바로 컴퓨터 시뮬레이션입니다. 탐사선으로 얻은 관측 데이터와 3차원 공간으로 재현한 시뮬레이션 데이터를 이용해 자기권에서 일어나는 폭발 현상을 살펴볼 수 있는 것입니다.

반면 태양에는 탐사선을 보낼 수 없습니다. 보낸다고 해도 금방 소실될 것이기 때문이다. 하지만 태양에서 일어나는 현상은 그 전체 모습을 관측할 수 있습니다. 행성 자기권에서는 관측할 수 없는 폭발의 전체 모습을 볼 수 있는 것입니다. 또한, 여러 파장에서 동시에 관측함으로써 플레어의 시간적 발달을 상세히 알 수 있습니다(그림 3). 다만, 관측할 수 있는 것은 2차원적으로 투영된 현상입니다. 역시 태양 플레어 연구에서도 3차원 공간에서 재현한 컴퓨터 시뮬레이션이 큰 의미를 가지게 됩니다(그림 4). 이렇게 별개로 보이는 폭발 현상을 탐사선의 현장 관측 과 다파장 원격 관측, 그리고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 연구하고 있습니다.

연구의 매력

우주 플라즈마 폭발 현상은 우리 태양권 밖, 은하계 밖에서도 일어나고 있는 현상이다. 그 공간적 스케일, 에너지 스케일은 광범위하지만, 그 기초가 되는 물리 현상은 동일하다고 생각됩니다. 태양권 내부를 커다란 실험실로 삼아 우주 곳곳에서 일어나는 폭발 현상을 연구할 수 있는 것입니다. 그리고 여러 탐사선의 편대 관측부터 다파장 고감도 망 원경을 통한 관측, 그리고 계산 속도가 비약적으로 빨라진 슈퍼컴퓨터를 활용해 최첨단 연구를 할 수 있습니다. 하나도 똑같은 폭발 현상은 없습니다. 거기서 보이는 새로운 구조와 예상치 못한 현상들이 우리를 자극합니다.

향후 전망

태양 플레어는 단순히 폭발하는 것이 아니다. 대규모 플레어는 고에너지 방사선을 뿌려 우리의 우주 활동을 방해한다. 태양에서 방출된 플라즈마는 강력한 자기장을 동반하여 지구 자기장을 공격한다. 이로 인해 지구 자기 폭풍을 일으켜 인공위성을 파괴하고, 지상에서는 대규모 전류가 발전소를 덮쳐 대규모 정전을 일으킨다. 하지만 태풍 등을 예보하는 것처럼 우주에서도 이러한 현상을 예측하여 그 영향을 조금이라도 줄이려는 시도가 이루어지고 있습니다(우주날씨라고 합니다). 폭발 현상의 물리적 규명뿐만 아니라 예보 정확도를 높이기 위해 플레어 예측을 목표로 하고 있습니다.

이 연구를 희망하는 사람들에게 메시지

많은 연구 수단을 사용할 수 있다는 것은 그 수단을 능숙하게 다룰 수 있어야 한다는 뜻입니다. 그것들은 하루아침에 습득할 수 있는 것이 아닙니다. 어렸을 때부터 쌓아온 학력 위에 종합적인 지식이 쌓여야만 사용할 수 있게 됩니다. 지금 공부하는 것이 다음 단계의 초석이 된다는 것을 잊지 말고, 그것들이 있어야만 창의적인 아이디어가 나올 수 있다는 것을 이해해야 합니다. 특히 우주 분야는 폭넓은 지식이 필요한 분야입니다. 어떤 지식이 새로운 세계의 문을 열어줄지 모르는 세상입니다. 질문 위에 새로운 질문이 떠오르는 세상에 꼭 도전해 보시기 바랍니다.