태양 극지방의 자기적 혼란: 첫 번째 이미지가 불타는 미스터리를 밝혀냈다

이 사진은 2025년 3월 23일 솔라 오비터가 태양 남극을 촬영한 것입니다. 이 사진은 태양 외기권(코로나)에 존재하는 수백만 도의 가스에서 방출되는 자외선을 포착하는 극자외선 이미저(EUI)로 촬영되었습니다. 사진 제공: ESA & NASA/솔라 오비터/EUI 팀, D. 버그만스(ROB)

유럽 ​​우주국(ESA)이 이끄는 솔라 오비터(Solar Orbiter) 우주선은 태양 주위를 새롭게 기울인 궤도 덕분에 황도면 밖에서 태양의 극지방을 촬영한 최초의 사례입니다. 솔라 오비터의 독특한 시야각은 태양 자기장, 태양 주기, 그리고 우주 기상의 작동 원리에 대한 우리의 이해를 바꿀 것입니다.

당신이 본 태양의 이미지는 모두 태양 적도 부근에서 촬영되었습니다. 이는 지구, 다른 행성들, 그리고 다른 모든 현대 우주선들이 태양 주위를 도는 황도면이라는 평평한 원반 안에서 태양을 공전하기 때문입니다. 솔라 오비터는 이 황도면에서 궤도를 기울임으로써 완전히 새로운 각도에서 태양을 보여줍니다.

'EUI video SolarOrbiter Sun south pole'이라는 제목의 영상은 2025년 3월 23일 Solar Orbiter의 관측 시야(노란색)와 지구에서 관측한 시야(회색)를 비교합니다. 당시 Solar Orbiter는 태양 적도 아래 17도 각도에서 태양을 관측하고 있었는데, 이는 태양의 남극을 직접 볼 수 있는 정도였습니다. 앞으로 몇 년 동안 Solar Orbiter의 궤도가 더욱 기울어질 예정이므로, 아직 최고의 관측 결과는 나오지 않았습니다.

"오늘 인류 최초로 태양 극지방의 모습을 공개합니다."라고 ESA 과학국장 캐럴 먼델 교수는 말했습니다. "태양은 우리와 가장 가까운 별이자 생명을 주는 별이며, 현대 우주 및 지상 전력 시스템을 교란시킬 수 있는 잠재적 위협입니다. 따라서 태양의 작동 원리를 이해하고 그 움직임을 예측하는 법을 배우는 것이 매우 중요합니다. 솔라 오비터 임무에서 포착한 이 새롭고 특별한 모습은 태양 과학의 새로운 시대를 여는 시작입니다."

모든 시선은 태양의 남극에 집중되어 있다

콜라주는 2025년 3월 16일에서 17일 사이에 기록된 태양의 남극을 보여줍니다. 당시 솔라 오비터는 태양 적도 아래 15° 각도에서 태양을 관측했습니다. 이는 솔라 오비터가 수행한 최초의 고각 관측으로, 현재 최대 관측 각도인 17°에 도달하기 며칠 전이었습니다.

콜라주에 표시된 이미지는 Solar Orbiter의 세 가지 과학 장비, 즉 편광 및 태양진동 영상기(PHI), 극자외선 영상기(EUI), 그리고 코로나 환경 분광 영상기(SPICE)로 촬영되었습니다. 이미지를 클릭하면 확대되어 데이터의 비디오 버전을 볼 수 있습니다.

"우리는 이 첫 번째 관측에서 정확히 무엇을 기대해야 할지 몰랐습니다. 태양의 극지방은 말 그대로 미지의 땅이었으니까요." 독일 막스 플랑크 태양계 연구소(MPS)에서 PHI 계측기 팀을 이끄는 사미 솔란키 교수의 말입니다.

각 관측 장비는 서로 다른 방식으로 태양을 관측합니다. PHI는 가시광선으로 태양을 관측하고(콜라주 왼쪽 위), 태양 표면 자기장(중앙 위)을 지도로 표시합니다. EUI는 자외선으로 태양을 관측하여(오른쪽 위) 태양 외기권의 백만 도 대전된 가스, 즉 코로나를 드러냅니다. SPICE 관측 장비(아래줄)는 태양 표면 위 대전된 가스의 다양한 온도에서 나오는 빛을 포착하여 태양 대기의 여러 층을 드러냅니다.

이 세 가지 이미징 장비의 상호 보완적인 관측 결과를 비교하고 분석함으로써, 우리는 태양 외층에서 물질이 어떻게 움직이는지 알아낼 수 있습니다. 이를 통해 금성과 토성의 극지방에서 관찰되는 것과 유사한 극소용돌이(소용돌이치는 가스)와 같은 예상치 못한 패턴을 발견할 수도 있습니다.

이러한 획기적인 새로운 관측 결과는 태양의 자기장을 이해하고, 태양 활동의 정점과 동시에 약 11년마다 자기장이 역전되는 이유를 이해하는 데에도 중요합니다. 11년 주기의 태양 주기에 대한 현재 모델과 예측은 태양이 언제, 그리고 얼마나 강력하게 가장 활동적인 상태에 도달할지 정확하게 예측하는 데는 부족합니다.

태양 활동 극대기의 지저분한 자기

솔라 오비터의 극지 관측에서 발견된 최초의 과학적 결과 중 하나는 태양의 남극 자기장이 현재 엉망이라는 것입니다. 일반 자석은 북극과 남극이 뚜렷하지만, PHI 관측기의 자기장 측정 결과는 태양의 남극에 북극과 남극의 자기장이 모두 존재한다는 것을 보여줍니다.

이러한 현상은 각 태양 주기 중 태양 극대기, 즉 태양 자기장이 역전되어 가장 활발해지는 짧은 기간 동안만 발생합니다. 자기장 역전 후, 하나의 극성이 서서히 형성되어 태양의 극점을 차지하게 됩니다. 5~6년 후, 태양은 다음 태양 극소기에 도달하게 되는데, 이때 자기장이 가장 질서 있고 태양 활동이 가장 낮습니다.

"이러한 축적이 정확히 어떻게 일어나는지는 아직 완전히 이해되지 않았기 때문에 Solar Orbiter는 독특하고 유리한 관점에서 전체 과정을 관찰하기에 딱 맞는 시기에 고위도에 도달했습니다."라고 Sami는 말합니다.

PHI가 관측한 태양 전체 자기장은 이러한 측정값의 맥락을 보여줍니다('PHI_south-pole-Bmap' 및 'PHI_global-Bmap_20250211-20250429' 참조). 색상이 진할수록(빨간색/파란색) Solar Orbiter에서 태양까지의 시선 방향에서 자기장이 더 강함을 의미합니다.

가장 강한 자기장은 태양 적도 양쪽의 두 띠에서 발견됩니다. 진한 빨간색과 진한 파란색 영역은 활동 영역을 강조하는데, 이 영역에서는 자기장이 태양 표면의 흑점(광구)에 집중됩니다.

한편, 태양의 남극과 북극은 모두 붉은색과 파란색 반점으로 뒤덮여 있습니다. 이는 작은 규모에서 태양 자기장이 복잡하고 끊임없이 변화하는 구조를 가지고 있음을 보여줍니다.

SPICE가 처음으로 움직임을 측정한다

솔라 오비터의 또 다른 흥미로운 '최초'는 SPICE 장비에서 비롯됩니다. 영상 분광기인 SPICE는 수소, 탄소, 산소, 네온, 마그네슘 등 특정 화학 원소가 방출하는 빛(스펙트럼선)을 알려진 온도에서 측정합니다. 지난 5년 동안 SPICE는 이 측정값을 활용하여 태양 표면의 여러 층에서 어떤 일이 일어나는지 밝혀냈습니다.

SPICE 팀은 최초로 스펙트럼 선의 정밀 추적을 통해 태양 물질 덩어리의 이동 속도를 측정하는 데 성공했습니다. 이는 '도플러 측정'으로 알려져 있는데, 지나가는 구급차 사이렌 소리의 음높이가 변하는 것과 같은 효과에서 유래한 이름입니다.

생성된 속도 지도는 태양의 특정 층 내에서 태양 물질이 어떻게 움직이는지 보여줍니다. SPICE 도플러 지도와 강도 지도를 비교함으로써, 태양의 온도가 10,000°C에서 수십만도까지 빠르게 상승하는 '전이 영역'이라는 얇은 층에서 입자(탄소 이온)의 위치와 움직임을 직접 비교할 수 있습니다.

SPICE 강도 지도는 탄소 이온 덩어리의 위치를 ​​보여줍니다. SPICE 도플러 지도는 탄소 이온이 태양 궤도선 우주선을 향해 얼마나 빨리 이동하는지, 그리고 얼마나 빨리 멀어지는지를 나타내기 위해 파란색과 빨간색으로 표시됩니다. 더 진한 파란색과 빨간색 부분은 작은 플룸이나 제트로 인해 물질이 더 빨리 흐르고 있음을 나타냅니다.

결정적으로, 도플러 측정은 입자들이 태양풍의 형태로 태양에서 어떻게 방출되는지를 밝혀낼 수 있습니다. 태양이 태양풍을 어떻게 생성하는지 밝히는 것은 솔라 오비터의 핵심 과학적 목표 중 하나입니다.

"현재와 과거의 우주 탐사선들은 태양에서 발사되는 태양풍을 도플러로 측정하는 데 어려움을 겪었습니다. 하지만 이제 솔라 오비터(Solar Orbiter)를 통해 고위도에서의 측정이 가능해지면서 태양물리학의 혁명이 일어날 것입니다."라고 파리-사클레 대학교(프랑스)의 SPICE 팀장인 프레데릭 오셰르는 말했습니다.

최고의 것은 아직 오지 않았다

이는 솔라 오비터가 새롭게 기울어진 궤도에서 관측한 첫 번째 관측 자료일 뿐이며, 이 첫 번째 데이터 세트의 상당 부분은 아직 추가 분석을 기다리고 있습니다. 솔라 오비터가 태양을 지나는 최초의 완전한 '극과 극' 비행의 전체 데이터 세트는 2025년 10월까지 지구에 도착할 것으로 예상됩니다. 솔라 오비터의 10개 과학 장비는 앞으로 몇 년 안에 전례 없는 데이터를 수집할 것입니다.

"이것은 솔라 오비터의 '천국으로 가는 계단'의 첫걸음일 뿐입니다. 앞으로 몇 년 안에 이 우주선은 황도면에서 더 멀리 나아가 태양 극지방을 더욱 자세히 관측할 것입니다. 이러한 데이터는 태양 자기장, 태양풍, 그리고 태양 활동에 대한 우리의 이해를 크게 바꿀 것입니다."라고 ESA의 솔라 오비터 프로젝트 과학자인 다니엘 뮐러는 말했습니다.

편집자를 위한 참고 사항

솔라 오비터는 우리에게 생명을 주는 별을 연구하는 가장 복잡한 과학 실험실로, 지금까지 어떤 우주선보다 가까이에서 태양의 이미지를 촬영하고 태양의 극지방을 처음으로 관측했습니다.

2025년 2월, 솔라 오비터(Solar Orbiter)는 태양 적도에 대해 궤도를 17° 기울여 태양 주위를 도는 '고위도' 구간을 공식적으로 시작했습니다. 반면, 행성과 다른 모든 태양 관측 우주선은 황도면을 따라 공전하며, 태양 적도에서 최대 7° 기울어집니다.

유일한 예외는 ESA/NASA의 율리시스 임무(1990-2009)로, 태양 극지방을 비행했지만 영상 장비는 탑재하지 않았습니다. 솔라 오비터의 관측은 망원경과 현장 센서를 사용하여 최초로 극지방을 관측함으로써 율리시스의 관측을 보완할 것이며, 태양에 훨씬 더 가까이 접근하여 관측할 것입니다. 또한, 솔라 오비터는 태양 주기 전반에 걸쳐 극지방의 변화를 모니터링할 것입니다.

솔라 오비터는 2026년 12월 24일까지 이 기울기 각도로 태양 주위를 공전할 예정이며, 금성을 통과하는 다음 비행에서는 궤도가 24°로 기울어질 것입니다. 2029년 6월 10일부터는 태양 주위를 33°로 공전하게 됩니다(솔라 오비터의 태양 주위 궤도 개요).

솔라 오비터(Solar Orbiter)는 유럽우주국(ESA)과 미국 항공우주국(NASA)의 국제 협력으로 운영되는 우주 탐사선입니다. 솔라 오비터의 편광 및 태양진동 영상기(PHI)는 독일 막스 플랑크 태양계 연구소(MPS)가 주도하고 있습니다. 극자외선 영상기(EUI)는 벨기에 왕립 천문대(ROB)가 주도하고 있습니다. 코로나 환경 분광 영상기(SPICE)는 프랑스 파리의 천체물리학 연구소(IAS)가 주도하는 유럽 주도의 시설 관측기입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250616040223.htm