특이한 망원경이 밝혀 주는 태양의 신비

우리는 잠시 사막의 열기를 피하려고 하루 휴가를 내어 뉴멕시코 주(미국) 남부에 있는 시원한 링컨 국유림에서 소풍을 하였다. 그때 뉴멕시코 주 클라우드크로프트 근처, 선스폿 소재 새크라멘토피크 천문대를 가리키는 도로 표지가 눈에 띄었다. 이제 우리는 호기심이 생겨 선스폿으로 차를 몰았다.

몇 안 되는 일행 중 아무도 고도 2,800미터의 고지에 익숙하지 않은 터라서, 우리 모두는 숨을 헐떡이면서 산꼭대기에 있는 기이한 모양을 한 건물군 내에 설치된 망원경들을 보려고 길을 따라 올라갔다. 우리는 돔형의 건물을 예상했는데, 과연 힐톱 돔을 보게 되어 기대에 어긋나지는 않았으나, 정작 방문객은 출입이 금지되어 있었다. 그때 우리는 이상하게 생긴 건물 하나를 보게 되었다.

그 건물은 지면에서 높이 솟아 있고 바닥이 좁은 삼각형 건물이었는데, 방문객에게 개방되어 있었다. (다음 면 사진 참조.) 곧 우리는 높이 솟은 탑 꼭대기의 베어링에 기다란 망원경을 매달아 놓은 실험실로 들어갔다. 안내 표지에는 설치대에 올라서서 기기의 균형을 교란시키지 말라는 경고문이 있었다.

태양을 “머물”게 한다

자그마한 견학실에는 색으로 표시된 도표들이 있어서 무슨 연구가 진행중인지를 알 수 있었는데, 알고 보니 이 복합 건물은 흥미롭게도 태양 연구 전용이라고 하였다. 여기서 근무하는 한 과학자에게, 태양으로부터 에너지를 얻는 방법을 알아내는 것이 연구 과제냐고 물어 보았다. 그 과학자는 설명하기를, 연구 과제는 그런 종류가 아니고, 태양 자체에 관해서 그리고 태양이 지구 대기 및 태양계 내의 우주 공간에 미치는 영향에 관해서 자료를 수집하는 기초 연구 분야라고 했다. 또한 과학자들은 태양 표면을 계속 관찰함으로써 태양의 내부도 연구하고 있다는 것이었다.

천문대가 이곳에 자리잡고 있는 까닭은 산 공기가 건조하고 오염이 없어서 부지로 적합하기 때문이라고 안내인이 설명했다. 1951년에 설립된 이 천문대는 태양 연구 전용으로 미국 내에 건설된 천문대 종류로는 초기에 속하는 것이었다. 가까이 있는 도면을 보니, 이 큰 탑은 지상 위로 41미터가 솟아 있지만 망원경의 나머지 59미터는 지하에 묻혀 있다는 것을 알 수 있었다. 그래서, 망원경의 전체 길이는 축구장 길이에 해당하는 100미터나 된다! 망원경의 경통(鏡筒) 내부는 거의 완전 진공으로 되어 있어서 태양 광선이 들어올 때 가열된 공기에 의해서 일그러지지 않는다. 그 결과로 유난히 선명한 반사상(反射像)을 얻게 되며, 연구원들은 태양 표면을 뚜렷하게 관찰할 수 있다.

망원경(무게 250여 톤)은 전체가 수은 유동(游動) 베어링에 매달려 있어서, 지구의 회전으로 인해 생기는 오차를 보충하여 자유로이 회전할 수 있다. 이와 같이 망원경이 장기간 태양을 향하게 할 수 있으므로, 사실상 태양은 망원경과 관련해서 “머물”러 있게 된다. 이 망원경은 태양 표면인 광구(光球)에서, 그리고 태양의 하층 대기에 있는 채층(彩層)에서 일어나는 매우 작은 특징들을 관찰하고 촬영할 수 있게 되어 있다.

곡물 저장 돔

차 있는 곳으로 돌아오면서, 농장의 둥근 사일로같이 생긴 이상한 건물을 지나치게 되었다. 그런데 그것은 바로 우리가 생각하던 대로였다! 그 건물은 곡물 저장 돔이라고 부르는데, 이 천문대의 초창기에 시어스 로벅 회사로부터 사들여, 선스폿에 망원경을 처음 설치하기 위해 개조한 것이었다. 그 당시는 우주 여행이 계획 단계여서, 태양이 지구 대기에 미치는 영향, 특히 이례적인 태양 활동 때문에 유발되기도 하는 대기 요란(搖亂) 분야에 관한 자료가 필요했었다.

그후 1957년에, AURA(대학 천문 연구회)라는 비영리 조직이 애리조나 주(미국) 투손 소재 킷피크 국립 천문대, 칠레 라세레나 소재 세로톨롤로 미주 천문대 및 메릴랜드 주(미국) 볼티모어 소재 우주 망원 과학 협회와의 연계로 결성되었다. AURA의 의도는 과학자 및 정보의 교환을 통하여 서로가 태양에 관한 이해를 증대시킬 수 있으리라는 것이었다. 우리는 이 외딴 천문대가 세계 여러 곳과 연계되어 있다는 사실을 그제서야 알게 되었다.

떠는 태양

연구 실장의 한 사람인 버나드 더니 박사는 태양에 관한 몇 가지 질문에 친절하게 대답해 주었다. 그는 태양 지진학 분야에서 일한다고 설명했다. 그것이 무슨 내용인지 우리에게는 설명이 필요했다. 그 분야는 새크라멘토피크 천문대에서 연구를 개시한 것으로 보인다. 그는 이렇게 설명했다. “태양은 그 축을 중심으로 회전할 뿐만 아니라 그 밖의 여러 가지 방식으로도 움직이는데, 그에 대한 연구는 태양의 표면을 계속 주시하면서 일어나는 변화를 살펴봄으로써 가능합니다. 이러한 변화로부터, 태양 내부에서 무슨 일이 일어나고 있을 것인가에 대한 착안을 얻고, 다음에는 그 착안을 확증하거나 반증하기 위한 연구 계획을 세웁니다.”

더니 박사는 이렇게 계속 설명했다. “1970년경에, 태양의 떨림 즉 흔들림이 예측되었습니다. 그것은 커다란 종이 울릴 때 일어나는 흔들림 즉 진동과 매우 흡사합니다. 다른 예를 든다면, 못에 돌을 던질 경우 돌이 닿는 지점으로부터 파문의 고리가 번져 나가면서 못 수면 전체에 끼치는 영향을 생각해 볼 수도 있을 것입니다. 차이점이란, 태양에서는 파동이 태양의 구체 전체에 걸쳐 모든 방향으로 진행한다는 것입니다.”

이러한 진동은 여러 다른 층에서, 즉 일부는 표면 아래서 다른 것들은 태양 내부 깊숙한 곳에서 발생하는 것같이 여겨졌다. 이러한 연구로 인해서, 태양은 그야말로 숨쉬기라도 하듯이, 대략 한 시간에 한번씩 약간 팽창했다가 다시 수축한다는 사실을 알게 되었다. 한 조사가가 태양의 이러한 움직임을 처음 본 것은 1975년이었다. 1976년에는 러시아 과학자들 역시 태양 표면의 상승과 하강을 보고했다.a 이러한 진동을 확인한 것은 1979-80년이 되어서였는데, 그 일에는 새크라멘토피크 천문대도 일부 참여하였다.

더니 박사는 이렇게 설명을 계속했다. “실로 태양에는 특이한 움직임이 많습니다. 태양에 있는 것은 모두 기체 상태이기 때문에, 태양 표면에는 부분적으로 다른 데보다 빨리 도는 곳도 있습니다. ·⁠·⁠· 여기 선스폿 천문대에서 하듯이 태양을 계속 관찰함으로써, 우리는 태양 내부가 회전하는 양상을 파악할 수 있습니다. ·⁠·⁠· 태양은 적도 부분이 더 빨리 돌기 때문에 그 표면에서는 혼합 작용이 많이 발생하며 이로 인해 이상한 현상이 많이 유발됩니다. 이 특이한 움직임으로 인해서 태양 내부 깊숙한 곳에서 자기장(磁氣場)이 형성되어, 표면으로 떠오릅니다. 태양에 나타나는 흑점은 이 자기장이 드러나 보이는 것입니다.”

주야로 태양을 관찰하다!

더니 박사는 이렇게 설명했다. “태양 표면에서 일어나는 모든 활동과 모든 변동을 알아보려면 실제로 태양을 계속 관찰할 필요가 있습니다, 지구는 매일 돌고 있기 때문에, 지구상의 한 장소에서 그처럼 관찰한다는 것은 불가능한 일입니다. 그것은 태양 천문대가 지구 도처에 있어야 함을 의미합니다.”

현재로서는 그렇게 하는 것이 불가능하지만, 더니 박사는 1980-81년에 새크라멘토피크에서 과학자들 일부가 삼 개월 단위로 삼회에 걸쳐 남극으로 여행하여 태양을 관찰했음을 알려 주었다. 남극에서는 태양이 삼 개월 동안 지지 않으며, 따라서 한 망원경으로 주야로 계속 관찰할 수 있다. 이러한 자료를 수집하는 데 그처럼 지상 여러 곳이 관련된다는 것을 알게 되어 흥미가 있었다. 과학자들은 태양 내부에서 일어나고 있는 일을 이해하기 위하여 언젠가는 태양의 모든 진동을 분류, 해석할 수 있게 되기를 바란다. 현재 조사가들은 이 일을 위해서 전 지구상에 걸친 천문대 조직망 구성을 기대하고 있다.

태양 플레어 및 코로나

다음에 우리는 더니 박사에게 “여기 새크라멘토피크에서는 그 밖에 어떤 연구를 하고 있습니까?”하고 물어보았다. 그는 태양 플레어에 관하여 알려 주었다. “이 엄청난 플레어는 태양 표면으로부터 터져나가 외부 공간 수백만 킬로미터까지 이르는데, 그때 방출되는 입자가 지구에 도달할 경우에는 무선 통신을 두절시킵니다. 또한 태양에서 나오는 연속적인 입자의 흐름도 있는데 이를 태양풍이라고 합니다. 이로 인해 태양 표면의 회전 속도가 줄어들며, 그 여파로 이번에는 태양 내부 깊숙한 곳의 회전이 영향을 받습니다. 그 결과 태양은 나이를 먹어감에 따라 점점 더 느리게 회전합니다. 태양의 내부가 그 표면의 감속에 대하여 나타내는 반응의 양상도 여기서 연구하는 과제입니다.”

이 천문대에서 수행하는 또 하나의 연구 활동에는 매일 태양의 코로나를 촬영하는 일이 포함된다. 이 사진은 날마다 태양 주변의 열이 변화하는 양상을 보여준다. 태양으로부터 고온이 확산되는 거리를 보여주는 도표를 작성한다. 이 도표는 매일 바뀌어 우주 여행자들에게 유용한 정보를 제공한다.

태양의 중대한 역할

태양에서 나오는 에너지는 지구상에 생명이 존속하는 데 필요하다. 그 에너지는 우리 자신과 우리의 시각 작용 그리고 지상 식물과 동물에 영향을 준다. 1979년에 발표된 한 연구 논문에서는, 미국 서부의 22년 가뭄 주기가 대략 22년인 태양 흑점의 완전 주기와 어떤 면에서든 관련이 있는 것 같은 증거가 있음을 보여준다. 바로 그 점이 태양의 활동에 대해, 그리고 태양이 기후에 미칠 수 있는 영향에 대해 관심을 갖게 되는 이유 중 한 가지인 것이다.

1950년대에 새크라멘토피크 천문대는 태양 상수를 결정하는 데 가담한 초기 천문대 중 하나였다. 태양 상수란 태양으로부터 지구의 거리에 해당하는 우주 공간에 있는 물체에 도달하는 총 에너지 단위를 말한다. 아마도 더 중요시되는 것은 태양 상수가 어느 정도나 변하는가 하는 점일 것이다.

태양의 특징 가운데 보다 흥미로운 것 중 한 가지는 흑점인데, 흑점은 지구상에 있는 우리에게 영향을 끼친다. 흑점은 갈릴레오에 의해서 처음 관측되었다. 그후, 흑점 주기는 11년간 지속되고, 흑점의 완전 주기에는 흑점 활동 기간 11년이 두번 들어간다는 것이 밝혀졌다. 더니 박사가 이렇게 설명한 바와 같다. “흑점은 자기장입니다. 흑점이 검은 것은 그것이 에너지를 전달하는 운동을 방해하기 때문입니다. 플레어는 태양 표면에서 이 자기장이 소멸하면서 생기는 것으로 생각되는데, 이 플레어는 다시 막대한 양의 에너지를 방출하여 전파를 교란하고 지구 대기층을 대전(帶電)시킴으로써 우리에게 영향을 끼칩니다. 또한 이 에너지로 인해서 인류 역사 전체에 걸쳐 불가사의한 것으로 알려진 북극광과 남극광, 즉 오로라라고 하는 것도 생깁니다.”

태양에 대한 연구는 흑점 활동이 있을 때 지구의 대기 중에 일어나기도 하는 지자기(地磁氣) 폭풍을 예측하는 데 도움이 될 수 있다. 지자기 폭풍은 전세계 통신에 영향을 미치며, 그리고 그 결과 항공 여행과 같이 양호한 무선 통신에 의존하는 활동에도 영향을 끼친다. 위성 통신은 비용이 많이 들기 때문에, 아직도 대부분의 통신은 지상에 있는 무선 송신기에 의해서 이루어진다. 흑점이 방출하는 에너지는, 지구를 싸고 있으면서 전파를 다시 지구로 반사하는 이온화된 입자의 층을 교란시킨다. 이 전리층이 무력해지면, 전파 신호가 손실되는 것이다.

태양 광선에 대해서는 더 많은 지식이 필요하다. 우리가 먹는 식품을 제조하는 식물은 태양 광선에 의존하여 식품에 들어 있는 당류와 기타 화합물을 만든다. 태양 광선에 의해서 일어나는 광화학 반응 때문에 우리는 흑백과 컬러로 사진을 찍을 수 있다. 그러므로, 우리에게 가장 가까운 항성에 대해서 가능한 모든 것을 배우는 것이 많은 사람에게 분별 있는 일일 것이다.

선스폿을 방문하고 전문가들과 이야기를 나눔으로써, 우리가 태양에 관해 알고 있는 것이 매우 제한되어 있다는 사실을 깨닫게 되었다. 우리 대부분은 추운 겨울날에는 태양의 고마움을 느끼고 여름철에는 너무 뜨겁지 않기를 바라는 것이 고작 관심의 전부다. 우리는 태양에 대해서 좀더 전문적인 면을 잠시 알아보는 즐거움을 누렸다. 우리 모두는 우리에게 유익을 주는 항성, 태양의 경이에 관한 인류의 이해가 실로 시작에 불과하다는 결론을 내리지 않을 수 없었다.—기고.

[각주]

[24면 네모]

태양의 온도가 의미하는 바는?

존 루블로브스키의 저서 「태양의 생명과 죽음」(Life and Death of the Sun) 59, 60면에 이러한 설명이 나온다. “온도의 의미에 대해서 어느 정도 이해가 필요하다. 온도에는 두 종류가 있다. 한 가지는 ‘기체론적 온도’, 또 한 가지는 ‘복사 온도’라고 하는 것이다. 기체론적 온도는 입자의 평균 분자 운동의 측정치이다. 이 운동이 더 빠를수록 온도는 더 높아진다. 태양 대기의 온도에 관하여 언급할 때는 이 기체론적 온도를 말하는 것이다. 따라서 내용으로 말하면, 태양 대기 중에서 입자의 평균 운동 속도는 광구로부터 위쪽으로 올라갈수록 증가한다는 것이다. 이 입자들의 온도는 수백만도이지만, 우리의 피부에 화상의 물집을 만들지는 못할 것이다.

“반면에, 복사 온도는 물체가 밖으로 내는 복사 에너지의 양과 질의 측정치다. 태양 내부 깊숙한 곳의 온도를 언급할 때는 이 의미로 사용하는 것이다. 불꽃의 온도 역시 복사 온도다.

“그러나 태양 대기를 언급할 때는 온도 개념을 이처럼 복사 온도의 의미로 적용해서는 안 된다. 만약 코로나의 온도가 복사 온도로 [섭씨] 1,000,000도라면, 태양 대기가 너무 밝아서 우리가 광구를 볼 수 없을 것이다. 만약 그렇게 된다면, 사실상 태양 대기로부터 너무 많은 복사 에너지가 나오게 되어, 태양으로부터 가장 먼 행성인 명왕성도 그 강렬한 열로 인해 기화될 것이다. 태양 대기의 온도가 복사 온도가 아니고 기체론적 온도인 것은 우리에게 다행한 일이다.

“그렇다고 해서 태양 대기로부터 복사 에너지가 전혀 나오지 않는다는 의미는 아니다. 태양 대기는 복사 에너지를 다량 방출할 뿐 아니라, 그것도 매우 특이한 종류를 내보낸다. 코로나의 가장 높은 부위에서는 약간의 가시 광선은 물론 X선도 나오며, 낮은 부위에서는 자외선이 나온다. 이 복사 에너지는 지구 대기에 여러 가지 층을 만들어 내기 때문에 지구에 대해서 매우 중요한 역할을 한다.”

[25면 네모와 도해]

태양—지구의 항성

태양은 우리의 지구에 생명을 유지시키는 열과 빛을 공급하는 거대한 노(爐)다. 주로 수소 기체 덩어리인 이 광대한 구체는 대단히 커서 그 안에 지구가 백만개 이상 들어갈 수 있다! 그렇지만 항성으로 말하자면, 태양은 큰 축에 끼지 못한다. 과학자들이 발견하고 있는 사실들을 보면, 이 에너지 근원은 미묘한 점들로 가득차 있다. 예를 들면, “가시 광선의 대부분은 두께가 대략 100킬로미터에 불과한, 광구 내의 한 층으로부터 발산된다.” 그러나 태양의 반경은 696,265킬로미터로 계산된다.—아이언 니콜슨 저 「태양」(The Sun).

태양의 구조

핵—태양 중심부로서 온도가 가장 높은 핵 “연소”층.

복사층—핵에서 나오는 에너지가 감마선 및 X선 같은 복사 에너지 형태로 이 층을 통과하여 전달된다.

대류층—복사층에서 나오는 에너지가 대류 방식으로 이동해 나가는 비교적 온도가 낮은 지역.

광구—실제로 모든 태양 광선은 이 외관상의 태양 표면에서 방출된다. 이 부분은 어느 범위까지는 투명하며, “수백 킬로미터 깊이까지 관측이 가능하다.” (「태양」) 온도는 섭씨 약 6,000도다.

채층—개기 일식중에만 보인다. 기체가 희박한 층으로 수천 킬로미터 두께지만 온도는 광구보다 높아서 섭씨 약 10,000도에 이른다.

코로나—개기 일식중에만 볼 수 있는데, 깃털이나 흐르는 연기가 아주 멀리 뻗친 것처럼 보이며, 온도가 매우 높다.

[도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

채층

광구

대류층

복사층

핵

[자료 제공]

From a sketch by National Optical Astronomy Observatories

[23면 도해와 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

거울 (지상 41미터)

지면

진공 경통이 회전한다 (250톤)

59미터

지하 67미터

[자료 제공]

From a sketch by National Optical Astronomy Observatories

[26면 삽화]

태양 홍염

[자료 제공]

Holiday Films

[26면 삽화]

태양 흑점

[자료 제공]

National Optical Astronomy Observatories