3분 읽기
NASA의 New Horizons 우주 탐사선, 우리 태양계의 외부 영역인 쿠이퍼 벨트(Kuiper Belt)에서 측정 데이터를 제공.

태양계 주변에 더 많은 수소
국부(Local) 성간 매체는 추정된 것보다 40% 더 많은 중성 수소를 포함

보이지 않는 입자 성운 :
우리 태양계는 수소로 구성된 확산 성운으로 둘러싸여 있지만 그 밀도는 논쟁의 여지가 있다. 최근 NASA의 뉴 허리즌스(New Horizons) 우주선의 데이터가 답을 제공한다. 이에 따르면 국부 성간 매체는 예상보다 40% 더 많은 중성 수소를 포함하고 있다. 이것은 관측과 이론적 모델 사이의 일부 일치하지 않는 점을 설명할 수 있다.

▲ 지역 성간 매체는 우리 태양계의 자기 거품을 둘러싸고 있다. 이제 연구자들은 이 매체의 밀도를 결정했다. © NASA / GSFC, conseptual image lab / Walt Feimer

우리 태양계는 시간당 수만 킬로미터의 속도로 은하수의 성간 매체를 통과하지만, 우리는 거의 아무것도 알아차리지 못한다. 태양의 자기장은 모든 고에너지로 하전된 입자를 멀리하는 보호 거품처럼 우리를 둘러싸고 있기 때문이다.
지금까지 두 개의 보이저(Voyager) 우주 탐사선만이 이 태양권의 바깥쪽 가장자리에 도달했다. 그들의 데이터는 우리 이웃에서 성간 매체가 어떤 것인지에 대한 초기 정보를 알려준다.

중성 수소에서 "픽업 이온"으로

성간 이웃의 구성에 대한 정보를 얻는 또 다른 방법이 있다.
태양 자기장은 하전된 입자를 굴절시키지만 성간 매질의 절반 이상을 구성하는 중성 수소 원자를 관통한다. 따라서 천체 물리학자들은 태양권으로 날아가는 수소 원자의 양으로부터 우리의 이상한 ‘외부 세계’를 추론할 수 있다.

그런데 한 가지 문제점이 있다.
외부에서 유입되는 수소 원자는 전기적으로 오랫동안 중성 상태로 유지되지 않고 태양풍과 태양 빛에 의해 비교적 빠르게 이온화된다. 그럼에도 그들은 여전히 ​​탐지가 가능하다.
"그들은 전자를 잃었지만 우리는 그들이 중성 원자로 우리에게 왔다는 것을 알고 있다"고 Princeton University의 파웰 스와치나(Pawel Swaczyna)는 설명한다. "우리는 이러한 '픽업 이온'을 구체적으로 관찰할 수 있다."

태양계 바깥쪽 가장자리에서 첫 번째 측정

문제는 Voyager 탐사선에 올바른 측정 장치가 탑재되어 있지 않다는 것이다.
이것이 지금까지 이러한 픽업 이온이 목성의 궤도 수준에서 율리시스(Ulysses) 우주 탐사선에 의해서만 측정된 이유다.
지금까지는 태양권의 바깥쪽 경계에서 이러한 수소 입자의 작은 부분만 감지할 수 있다. NASA의 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)의 공동 저자 에릭 크리스챤(Eric Christian)은 “내부 태양권의 픽업 이온은 이미 수십억 킬로미터의 필터링을 거쳤다‘고 말했다.

그러나 최근 처음으로 NASA의 New Horizons 우주 탐사선이 우리 태양계의 외부 영역인 쿠이퍼 벨트(Kuiper Belt)에서 측정 데이터를 제공한다. 명왕성을 넘은 곳에서 탐사선은 실제로 태양풍을 위해 이 영역에서 더 에너지가 많은 픽업 이온의 밀도를 측정하기 위해 SWAP 기기를 사용했다. 이 측정 데이터로부터 Swaczyna와 그의 팀은 이제 ‘우리 문 앞에 있는’ 성간 매체에 얼마나 많은 중성 수소가 존재해야 하는지 결정했다.

▲ IBEX지도에서 볼 수있는 ENA 방출 리본

예상보다 40% 가까이

결과 : 태양권 외부 경계의 중성 수소 밀도는 입방센티미터 당 0.127원자다.
연구진은 “이는 이전에 예상했던 것보다 약 40% 더 많은 수치다. 밀도 값은 1리터당 약 120 개의 원자에 해당한다. 지금까지 Ulysses 측정에 기초해 과학자들은 리터당 약 85개의 수소 원자에 해당하는 밀도를 가정했다.

그러나 새로운 결과는 2001년 Voyager 2 우주 탐사선의 데이터에 의해 뒷받침된다.
당시 연구원들은 다른 방법을 사용해 태양권으로 들어오는 성간 입자의 양을 결정하려고 했다. 그들은 이 수소 유입의 ‘역풍’이 태양풍의 속도를 얼마나 늦추는지 확인했으며 이제 직접 측정을 통해 New Horizons와 매우 유사한 밀도 값에 도달했다.

NASA의 아릭 포스너(Arik Posner)는 "우리가 오래되고 거의 잊혀진 결과를 확인한 것은 정말 놀라운 일이었다"고 말했다.

"IBEX-Ribbon"퍼즐 해결

성간 매체의 수정된 밀도는 우리 우주의 이웃이 어떤 것인지 더 잘 보여줄 뿐만 아니라 이론적 모델과 관측치 간의 불일치를 해결한다.
"40% 더 높은 밀도는 절대적으로 중요하다"고 Princeton University의 데이비드 맥코마스(David McComas)는 설명한다. "그것은 우리 태양이 성간 공간의 밀도가 높은 부분에 박혀 있음을 보여줄 뿐만 아니라 시뮬레이션에서 중대한 오류를 설명하기 때문이다.“

▲ IBEX 탐사선에 의해 발견된 이 고 에너지 중성 원자 조각은 지금까지 수수께끼였다. © NASA / IBEX

이에 대한 한 가지 예가 IBEX 임무다.
이 NASA 위성은 2009년 우리 태양계의 경계 지역에 있는 고에너지 입자를 처음으로 매핑했으며 그 과정에서 놀라운 것을 발견했다. 특히 밀도가 높은 눈에 띄는 스트립이다.
"이 구조는 폭이 수십억 킬로미터이고 길이가 100억 킬로미터다. 아무도 그것이 존재한다는 것을 몰랐다"고 Christian은 설명한다.

▲ Interstellar Boundary Explorer (IBEX) 우주선에 대한 아티스트의 개념

그 당시 모델은 이전 밀도 값을 기반으로 했기 때문에 이 현상을 설명할 수 없었다.
하지만 이제 처음으로 천체 물리학자들이 모델과 천문 관측을 조화시킬 수 있다.
(The Astrophysical Journal, 2020; doi : 10.3847 / 1538-4357 / abb80a)

출처 : NASA

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]