韓·美 공동개발 ‘코로나그래프’ 과학적 타당성 입증…ISS용 개발 ‘탄력’

2019년 9월 18일 과학용 풍선기구에 실려 성층권에서 관측 중인 코로나그래프/사진=천문연

한국천문연구원(이하 천문연)이 재작년 하반기 나사(NASA, 미국 항공우주국)와 공동 개발한 태양 코로나그래프로 외부 코로나의 온도·속도를 동시 측정하는데 성공한 후 관측자료 분석 결과를 18일 발표했다. 이는 태양 코로나그래프 설계·운용의 과학적 타당성을 입증한 것으로, 앞으로 한국과 미국 연구진이 공동 개발할 국제우주정거장(ISS)용 코로나그래프 사업에 탄력이 붙을 것으로 보인다.

이날 천문연과 나사는 2019년 9월에 코로나그래프로 관측·수집한 자료를 분석한 결과, 태양 외부 코로나 구조물은 약 100만도의 온도와 초속 260km의 속도를 갖는다고 밝혔다.

천문연-NASA가 공동개발한 태양 코로나그래프/사진=천문연

코로나그래프는 개기일식을 제외하면 육상에서 관측이 불가능한 태양 대기 바깥층(코로나)를 관측하는 장비다. 인공적으로 태양면을 가려 코로나의 온도·속도를 측정할 수 있다. 천문연과 나사는 2019년 9월 18일 태양 코로나그래프를 대형 과학용 풍선기구에 탑재해 고도 약 40km 성층권 상공에서 태양 외부 코로나 관측을 수행했다.


천문연은 이 관측 자료를 나사와 공동 분석해 외부 코로나 구조물이 약 100만도의 온도와 초속 260km의 속도를 갖는다는 것을 알아냈다. 한국 측 연구책임자인 천문연 김연한 책임연구원은 “이는 태양 코로나 영역 전자의 온도와 속도를 세계 최초로 동시에 측정한 것으로, 차세대 코로나그래프의 핵심 기술을 성공적으로 검증했음을 의미한다”고 말했다.

태양 코로나는 태양 대기의 가장 바깥 영역으로 태양 표면인 광구에 비해 밝기는 어두운 반면 온도는 훨씬 높다. 또 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. 코로나는 빛이 나오는 방식에 따라 K-코로나, F-코로나, E-코로나로 구분한다. K는 연속이라는 뜻을 갖는 독일어 ‘kontinuierlich’의 첫 글자로 K-코로나에서는 태양 광구에서 나온 빛이 자유 전자들에 의해 산란돼 매끈한 연속 스펙트럼으로 나온다.

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./사진=천문연

천문연과 나사가 공동 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 설계됐다.


천문연은 이번에 검증한 코로나그래프의 핵심기술을 바탕으로 향후 나사와 차세대 코로나그래프를 개발해 2023년께 국제우주정거장에 설치할 예정이다.

김연한 책임연구원은 “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”고 설명했다.

이어 “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 덧붙였다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘태양물리저널’에 게재됐다.