보이저 호, 성간 에너지 구름층 발견

2009. 12. 23 : 태양계는 물리학자들이 존재할 수 없다고 말하는 성간 구름을 통과하고 있다. 12. 24일자 발행 `네이처`에서 과학자들은 NASA의 보이저 우주 탐사 비행선이 어떻게 미스테리를 풀었는지 밝힌다. "보이저로부터의 자료들을 이용해 우리는 태양계 바깥에 강한 자기장을 발견했다."고 NASA 초빙 연구원인 조지 메이슨 대학의 Merav Opher는 설명한다. "이 자기장은 성간 구름과 함께 있으며 결국 어떻게 존재할 수 있는가라는 오래된 수수께끼가 풀렸다."

<보이저는 태양권의 범위 외곽을 통해 날아서 별들 사이 공간으로 진입했다. 강한 자기장을 Opher가 보고했고, 2009. 12. 24 네이처 발간 기사로 윤곽이 드러났다. 이 발견은 언젠가 미래에 태양계가 우리 은하수의 팔에서 유사한 구름들 속으로 충돌해 들어갈 때의 결과를 내포하고 있다. 국지적 보풀 자기장은 노란선으로 표시되었다.>

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성간 에너지 구름 공간은 보풀이 일어난 모양이다. 천문학자들은 우리가 지금 안으로 진입하고 있는 구름을 한정된 성간 구름 혹은 "좁은 범위의 보풀"이라고 부른다. 그곳은 약 30광년의 너비와 6,000℃ 온도에 달하는 수소와 헬륨 원자의 희미한 혼합체가 분포되어 있다. `보풀`의 미스테리한 존재는 그 주위와 관련이 있다. 

대략 1000만년 전, 초신성들의 집단이 근처에서 폭발했고, 백만이 넘는 온도의 거대한 가스 거품을 만들었다. 보풀은 이 높은 압력의 초신성이 고갈됨에 의해 완전하게 둘러싸여져 뭉개지고, 분산되었다. "관찰된 온도와 구름의 밀도는 주위의 뜨거운 가스의 `자극적 행위`를 막기에 충분한 압력을 주지 못한다."고 Opher는 말한다.

그럼 보풀은 어떻게 살아남았는가? 보이저 호가 그 답을 찾았다.
초신성 고갈과 자화된 보풀

"보이저 자료들은 `보풀`이 그 누구도 이전에 의심했던 것보다 훨씬 더 강하게 자성(4~5 마이크로 가우스)을 띄는 것으로 나타나고 있다."고 Opher가 말했다. "이 자기장은 파괴를 막는데 필요한 여분의 압력을 제공할 수 있다." 이것은 담배연기 한 모금이 토네이도 중간에서 그 모양새를 보존하는 것과 같다. 어떤 힘이 담배연기가 분산되는걸 저지하도록 둘러쌌을 수도 있다. 

연약한 국지적 보풀 다발의 경우 자기장이 그 역할을 했을 것이다. 천체 물리학적 자기장은 자주 Gauss 단위로 측정된다. 지구 자기장은 대략 0.5 gauss(500,000 마이크로 가우스)이므로 4~5 마이크로 가우스와 비교해볼 때 매우 약해 보인다. 하지만, 이 장이 매우 희박한 수소, 헬륨 가스로 둘러싸이며 놀랄만한 규모를 덮고 있어 국지적 보풀이 그 형태를 유지하는 것을 도울 가능성이 있다.

<국지적 성간 구름, `보풀`의 개념도>

NASA의 두 보이저 탐사장치는 30년 넘게 태양계 바깥쪽으로 달렸다. 그들은 지금 명왕성 궤도 뒷편에 있고 별들 사이의 공간 경계에 들어서고 있는 중이다. 비록 그들은 국지적 보풀에 들어가진 않았지만 빠르게 접근하고 있는 중이고, 태양권 변두리 지역의 특성을 샘플링하여 좁은 보풀의 자기장을 간접적으로 측정하고 있다. "보이저들은 실제로 국지적 보풀 속에 있지는 않다. 그러나 그들은 점점 접근하고 있고, 거기로 접근함에 따라 구름이 어떤지 감지할 수 있다."라고 Opher는 언급한다.

어쨌거나 보이저호들은 아직 보풀 안으로 들어가지 않았지만 어떻게 구름의 자기장 강도를 측정할 수 있었을까? 태양의 자기장 바깥쪽 자기 압력으로 유지되는 태양권의 크기를 측정하여 얼마나 많은 자기 압력이 태양권 내부를 향해 내리 누르는지를 추론했다. 이 내부를 향한 압력은 국지적 보풀이 원인이며 그래서 그 자기장이 간접적으로 측정될 수 있다.

보풀은 100억Km보다 더 넓은 자기 거품속을 향해 부는 태양풍으로 팽창된 태양 자기장에 의해 태양계 가장자리 너머에 있다. `태양권`이라고 불리는 이 거품은 보호막처럼 행동하여 은하 우주 방사선과 성간 구름들로부터 태양계 내부를 보호한다. 두 보이저호들은 태양권의 최외곽층에 위치해 있고, 태양풍이 성간 가스의 압력으로 느려진 보이저 1호는 2004년 12월에 이 구역으로 들어갔다. 보이저 2호는 거의 3년 뒤인 2007년 8월에 그 뒤를 따랐다. 이 교차가 Opher의 발견에 열쇠가 되었다.

<태양권의 모식도. 이 일러스트가 만들어진 이후로 보이저 2호는 성간 가스의 압력으로 태양풍이 느려진 태양권의 두꺼운 외곽 안에서 보이저 1호와 만났다.>

태양권의 크기는 장력의 균형으로 결정된다. 태양풍은 국지적 보풀이 바깥에서부터 압축하는 동안 내부로부터 거품을 팽창시킨다. 보이저호가 태양권으로 교차하면서 태양권의 대략적인 크기와 국지 보풀에 장기적으로 미치는 지속적인 압력이 얼마나 많은지를 밝힌다. 그 압력의 일부분은 자기적이고 ~5 마이크로 가우스에 해당한다고 Opher의 팀이 네이처에 보고했다.

보풀이 강하게 자기화되었다는 사실은 은하의 인근에 다른 구름들이 또한 있을 수 있다는 것을 의미한다. 결국, 태양계는 그들 중 일부로 향하게 되고, 그들의 강한 자기장은 지금보다 더 태양권을 압박할 수 있다. 추가적인 압박으로 더 많은 우주 방사선이 태양계 내부로 도달하게 되고, 지구의 기후와 우주인들의 안전한 우주여행에 영향을 줄 가능성이 있다. 

한편, 우주 비행사들은 별들 사이 공간이 이전보다 더 가까워졌기 때문에 멀리 여행하지 않고 있다. 이러한 사건들은 10,000~100,000년의 시간 범위에서 일어나 태양계가 다음 에너지 구름층으로 이동하는데 오랜 시간이 소요된다. Opher는 "흥미로운 시간들이 펼쳐질 수 있다."고 말한다.

더 많은 보풀, 더 많은 조우

국지적 성간 구름은 보풀 구름만 있는 건 아니다. 그리고, 지금 다른 성간 구름의 Opher 이론들 역시 높은 자기를 띄는 형태일 수 있다. 태양계가 계속 은하 궤도를 돌면서 더 많은 구름들을 만날 것이고, 태양권은 온도가 낮아지거나 높아져 지구에 사는 생명체들도 잠재적으로 영향을 받게 될 것이다.

태양계 바깥쪽으로부터 발생되는 우주 방사선은 지속적으로 대기권에 충격을 가하고, 이 떨어지는 고 에너지 입자들의 양은 태양권이 훼손되는데 영향을 미친다. 압력이 더욱 커지만 태양권은 더 작아지고 더 많은 우주 방사선이 태양계 안쪽으로 들어온다. 이것은 이전에 우리의 대기 활력에 영향을 미쳐왔을 뿐만 아니라 미래에 태양계 내 우주 비행에도 충격을 줄 수 있다. 고 에너지 입자들의 홍수가 아무런 방비를 하지 않은 우주 비행사에겐 나쁜 뉴스이다.

원문 - http://science.nasa.gov/headlines/y2009/23dec_voyager.htm
         http://news.discovery.com/space/voyager-discovers-magnetized-fluff.html

태양계 가장자리의 놀라움.