[아하! 우주] 태양 대기는 왜 태양 표면보다 더 뜨거울까?

태양의 오랜 미스터리는 아직까지 풀리지 않고 있다. 태양 대기의 온도가 태양 표면의 온도보다 수백 배나 더 높다는 불가사의한 미스터리다. 태양 대기의 상층부, 곧 코로나는 태양에서 플라스마 대기가 방출되는 현상이다. 코로나 플라스마는 전자와 양성자, 중이온 등으로 이온화된 가스로, 온도가 태양 표면보다 무려 200배나 높은 수백만℃나 된다.

태양의 에너지는 중심부에서 생성되며, 중심부 온도는 2700만℃나 된다. 중심에서 멀어질수록 점점 식어서 태양의 표면온도는 6000℃이다. 그런데 태양 대기의 온도는 그 몇백 배가 되는 수백만℃에 이른다. 모닥불의 바로 옆보다 멀리 떨어진 곳의 온도는 그보다 훨씬 낮은 것이 정상이다. 그런데 태양에서는 이와는 반대되는 현상이 나타나고 있는 것은 우리의 직관으로 이해되지 않는다.

이것은 대체 무슨 이유 때문일까? 분명한 것은 태양의 대기를 가열하는 무언가가 있어야 한다는 사실이다. 과학자들이 오랜 연구에도 불구하고 아직까지 그 명확한 이유를 밝혀내지 못하고 있는 실정이다. 전문가들이 내놓은 유력한 가설 중의 하나는 태양의 강력한 자기장이 태양 내부의 에너지를 태양 표면을 통해 대기로 유출시킨다는 것이다. 지구와 마찬가지로 태양에도 자기장(자기마당)이 있다. 자기장은 별이나 행성의 북극과 남극을 연결하는 보이지 않는 선, 곧 자기력선으로 상상할 수 있다. 우리는 자기장을 볼 수 없지만 물체가 자기장에 반응하는 것을 볼 수 있으므로 자기장이 있다는 것을 안다. 지구의 나침반 바늘은 지구의 자기장과 일직선이 되기 때문에 항상 북극을 가리키는 것이 한 예가 될 것이다.

태양에도 북극과 남극이 있지만, 태양의 자기장은 지구의 자기장과는 달리 매우 복잡하게 활동한다. 태양 표면에서 자기력선은 표면에서 대기 중으로 수많은 고리 형태로 솟아오르며, 이러한 고리는 항상 변하고 있다. 이 같은 자기력선 고리가 서로 충돌하면 엄청난 양의 에너지가 폭발적으로 생성되어 대기를 달굴 수 있다. 또한 에너지를 발생시키는 자기력선을 따라 이동하는 파동이 있는데, 그 파동이 대기를 가열시키는 메커니즘에 대해서는 아직까지 밝혀진 것이 없다. 100만℃를 넘는 코로나의 고온이 과연 자기력선의 충돌과 그 파동의 합작품인지, 아니면 어떤 다른 원인에 의한 것인지 명확하지 않지만, 태양의 자기장을 측정할 수 있다면 코로나 가열 과정을 이해하는 데 도움이 될 것은 확실하다.

자기장은 보이지 않지만, 태양에서 오는 빛에 미세한 변화를 일으키기 때문에 태양 표면에서 나오는 빛을 관측하면 자기장을 측정할 수 있다. 그러나 태양의 대기는 너무 뜨거워서 빛이 보이지 않는 대신 가시광선의 영역을 넘어선 X선 빛을 만든다. 그런데 태양 대기의 X선은 너무나 어두워 특수 X선 망원경으로도 대기의 자기장 현상을 관측하기가 어렵다.

미 항공우주국(NASA)이 태양 탐사선 파커 솔라 프루브를 태양으로 보낸 것도 이런 이유 때문이다. 이 탐사선은 현재 태양에 근접한 궤도를 공전하고 있으며, 여러 차례의 플라이바이를 통해 태양 자기장을 측정하고 있다. 우리는 앞으로 5년 동안 그로부터 많은 흥미로운 정보를 받게 될 것이다. 이러한 태양 자기장 측정은 태양과 다른 별의 대기가 표면보다 훨씬 더 뜨거운 미스터리를 푸는 데 실마리를 제공하게 될 것이다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com