뜨거운, 너무나 뜨거운 태양!
뜨거운, 너무나 뜨거운 태양!
  • 이웃집과학자
  • 승인 2017.08.23 19:50
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그림 3. 우리 태양. 출처: NASA

이전 글 보기 : 천동설? 지동설? '큰 그림'의 시작

원제 : 우리 태양계로의 여행(2)

 

우리 태양 (항성)

 

먼저 태양계에서 가장 눈에 띄는 천체는 우리 태양계 유일한 별인 태양입니다. 태양의 이름이 로마신화 태양의 신인 솔(Sol, 그리스 신화에서 헬리오스)의 이름에서 유래되었기에 태양 관련 용어 대부분에는 모두 Solar라는 명칭이 붙습니다. 예를 들면 태양의 질량을 “Sun’s Mass” 라고도 표현 하지만 주로 “Solar Mass” 라고 표현합니다. 

 

예로 부터 서양권에서는 달력을 해의 움직임을 중심으로 날짜를 계산하여 제작하였기에, 이를 양력 (Solarcalendar) 이라고 합니다. 반면에 동양권에서는 달의 움직임을 중심으로 날짜를 계산하고 달력을 만들었기에, 이를 음력 (Lunar calendar) 이라고 불렀습니다.

 

태양은 우리 태양계의 중심에 존재하는 항성입니다. 행성이 없는 태양계는 존재 할 수 있지만, 태양이 없는 태양계는 존재할 수 없습니다. 따라서 태양이 있기에 나머지 모든 천체가 존재한다고 말할 수 있습니다. 태양은 지구 전체의 다양한 날씨와 기후를 만듭니다. 

 

또한 지구에 도착하는 태양의 에너지는 식물의 광합성에 필수적이기이에, 태양은 지구상 모든 생명체의 생존을 가능하게 해주는 고마운 존재입니다. 태양은 우리 태양계 전체 질량중 99%가까운 질량을 홀로 독식하고 있기 때문에, 우리 태양계 안 모든 에너지의 근원입니다[4].

 

태양이 내는 빛은 우리가 상상할 수 없을 만큼 강한 에너지를 품고 있기에, 맨눈으로 이를 직접 보는 것은 절대 불가능합니다. 우리 태양의 광구(표면) 온도는 대략 5,800K(~섭씨 5596정도) 입니다. 태양의 온도를 한세기전 독일의 물리학자 막스플랑크와 오스트리아의 물리학자 빌헬름 빈이 유도하고 발견한 흑체 복사 법칙과 변위 법칙에[5] 적용해 보겠습니다. 5,800K 정도의 온도에서 가장 많이 나오는 전자기파의 파장 대역은 대략 500nm정도가 됩니다. 이 파장영역은 청록색부분에 가까운 파장입니다. 

 

그럼에도 불구하고 태양이 초록색으로 보이지 않는 이유는 태양이 붉은색, 녹색, 푸른색의 파장들을 방출하고, 우리 눈의 원추 세포에서 이를 적절히 섞어서 감지하기 때문입니다. 따라서 태양은 실제 흰색 혹은 아주 옅은 청색을 띠고 있는 흰색 비슷하게 보입니다. 우주 공간에서는 지구 대기 효과에 의한 방해를 받지 않기에 오로지 별이 내는 정확한 색을 관찰 할 수 있는데, 이를 통해서 태양은 옅은 청백색에 가깝다는 걸 알 수 있습니다.

 

우리 태양은 현재 약 45억 6,700만 살입니다. 태양의 현재 등급과 초기 질량을 예측하여 볼 때 우리 태양은 앞으로 78억 년정도 더 살 수 있습니다. 약 63억 년 후까지는 여전히 현재의 주계열 단계(G형 별)에 머물지만 지금보다 훨씬 진화된 별이기에(G5 V 형 별) 온도는 훨씬 더 높아지게 될 것입니다. 이때 쯤이면 아쉽지만 이미 지구는 없겠죠. 이후 8억 년정도 더 지나면 우리 태양은 드디어 적색 거성이 될 것입니다. 

 

별이 팽창함으로써, 핵융합으로 방출되는 에너지는 이전보다 훨씬 커진 표면으로 분산됩니다. 그 결과 태양의 표면온도는 낮아지고 별에서 방출되는 가시광선은 점점 붉은색 쪽으로 치우치게 됩니다. 이 때문에 이 별을 ‘적색’거성이라고 부릅니다. 이후 또 7~8억 년정도가 지나면 중심부만 남게 되며 결국 10만 K가 넘는 온도의 백색왜성으로 진화하게 됩니다.

 

현재 우리 태양에서 일어나는 현상을 간단히 살펴 보자면, 코로나, 홍염, 흑점, 플레어, 태양풍, 필라멘트 등등이 있습니다.

 

코로나(Corona)

 

코로나(Corona)는 단언컨대, 태양에서 일어나는 현상 중 가장 신기하고 경이로운 현상입니다. 코로나는 라틴어로 왕관이란 뜻입니다. 별에서 내뿜는 플라스마 대기가 우주 공간으로 끝없이 뻗어 나가는 현상을 코로나라고 하는데, 우리는 이를 개기일식때 관측할 수 있습니다. 

 

보통 별 내부는 너무나도 복잡하므로 온도를 쉽게 예측할 수 없습니다. 이러한 이유로 인해서 우리가 별의 온도라고 할때에는 별의 표면온도를 지칭하곤 합니다. 물리학에서는 이를 유효온도(Effective Temperature) 라고 표현합니다. 

 

태양의 온도는 5778K 정도이지만 코로나의 온도는 100만K를 넘어 섭니다. 심지어 일부 영역에서는 1,000만 K에 이르기도 합니다. 최소 200배가 넘는 온도입니다. 이는 물리학의 모든 근간을 흔들 수 있는 위험한 사실입니다. 5778 K 정도의 태양 표면으로부터, 훨씬 더 뜨거운 즉 수백만K의 코로나로 직접적으로 열이 전달 되는 것은 열역학 제 2법칙 의 위배를[6] 말하기 때문입니다. 

 

천문학에서는 이를 코로나 가열 문제라고 합니다. 현재 가장 논리적인 설명은 태양 표면에서 제트처럼 분출되는 기체가 코로나 속에서 초음속이 되면 저항을 받게되므로, 이로 인해 운동 에너지가 열에너지로 변하기 때문이라고 예측하고 있습니다.

 

홍염(Solar Prominence)

 

홍염(Solar Prominence)은 태양의 가장 자리에 보이는 크고 밝은 불기둥과 같은 현상입니다. 태양 표면에 분출되는 현상이기는 하나, 분출 물질이 태양의 중력을 이기지 못하고 다시 태양 표면으로 돌아오는 것을 말합니다. 코로나가 극도로 뜨거운 플라스마로 구성 되어 있는 반면, 홍염은 상대적으로 훨씬 차가운 플라스마로 이루어져 있습니다. 

 

따라서 이는 흑점(상대적으로 낮은 온도에 나타나는 현상)이 출현하는 영역에 집중적으로 나타나는 경향이 있습니다. 코로나 내부에서 수 주간 지속되는 것으로 알려져 있으며, 수십년 간의 연구에도 불구하고 어떠한 방식으로 태양 홍염이 형성되는지는 정확하게 알려져 있지 않습니다.

 

태양플레어(Solar Flare)

 

태양플레어(Solar Flare)는 태양 대기에서 발생하는, 격렬한 폭발 반응을 말합니다. 코로나와 태양의 채층[7]에서 발생하며, 이는 플라스마를 수천만K의 온도까지 가열하며, 전자, 양성자 및 무거운 이온을 광속에 가깝게 가속시키곤 합니다. 라디오 주파수(긴파장)로부터 감마선(짧은파장)에 이르기까지, 모든 파장의 전자기 스펙트럼을 넘나드는 전자기복사를 만들어 내기에, 우리는 태양으로부터 모든 파장의 빛을 받을 수 있습니다.

 

흑점(Sunspot)

 

흑점(Sunspot)은 태양의 광구에 존재하는 영역입니다. 말 그대로 검은 점으로 보이는 흑점은 주변보다 상대적으로 훨씬 낮은 온도를 지니면서 강한 자기 활동을 보이는 영역을 말합니다. 대류가 이루어지지 않기 때문에 상대적으로 낮은 표면 온도를 지니고 어둡게 보이는것으로 예측하고 있습니다. 

 

흑점은 말만 흑점이지 실제로는 보름달보다 10배 이상 밝습니다. 따라서 지구의 기온이 이 태양 흑점 변화 주기를 따라가는 건 자명한 사실입니다. 또한 흑점의 수가 많아짐은 태양의 활동이 활발해짐을 의미합니다. 흑점의 수가 많아질 때에는 태양풍도 강해지는 경향을 보이기 때문입니다. 덕분에 대기의 교란을 야기시키게 되고 이 때문에 태양의 활동이 활발해질 때에는 지구상의 통신기기가 오작동할 위험이 있습니다.

 

태양풍(Solar wind)

 

태양풍(Solar wind)은 말그대로 태양에서 불어오는 바람을 뜻하지만 이 바람은 우리가 아는 바람처럼 시원하지 않습니다. 태양풍은 항성이 뿜어내는 플라스마들의 아주 강력한 흐름을 말합니다. 이는 주로 양성자와 전자로 이루어지며, 지구 가까이 이르렀을 때에 무려 450Km/s의 속도를 낼 수 있습니다. 

 

태양풍의 세기는 뜨거운 별일수록 기하급수적으로 강해집니다. 예를 들어 우리 태양이 O형 초거성이었다면, 태양풍 하나로도 지구대기 정도는 가볍게 박살낼 수 있습니다. 따라서 태양과 가까운 지구형 행성은 가볍게 증발이 될것 입니다. 오로라는 당연히 볼 수 없고, 우리는 태어나지도 못했을것 입니다. 

 

태양풍은 엄청난 자기장과 방사능을 수반하므로 지구의 자기권에 영향을 주게 됩니다. 누구나 한 번쯤 보고싶은 극지방의 오로라는 태양풍이 지구 자기장에 의해 잡혀서 극 쪽으로 끌려가는 현상입니다. 태양풍을 만난 지구 대기권 상층부 기체 입자들은 반응을 하면서 멋진 빛을 발생시킵니다. 따라서 우리가 오로라를 볼 수있는건, 지구가 열심히 일을 하고 있다는 뜻이기도 합니다. 

 

오로라는 지구의 자극과 가까운 극지방에 가까울수록 관측이 쉽습니다. 최근 연구 결과에 따르면, 핵실험은 지구의 자기장에 영향을 미친다고 합니다. 지구의 자기장이 제대로 작동하지 않는다면 지구는 태양풍의 위험에 무방비로 노출되어 있는 인공위성과 다를바 없게 됩니다. 인간들의 욕심 때문에 지구를 파괴하고 있는것이 아닌지, 또 그 욕심이 결국 인류를 파괴하는건 아닌지 반성해야 할 때입니다.

 

태양은 우리에게 가장 가까운 별이지만, 너무 높은 온도 때문에 모든 연구에 상당한 어려움을 주고 있습니다. 천문학자들은 태양의 가상 모델을 수 없이 만들어내고 예측하며, 관측 자료와 비교하고 있습니다. 우리가 태양에 대해서 한 걸음 더 다가간다는 건, 외계 태양계로의 두 걸음 진전을 뜻합니다. 수십년 동안의 태양에 관한 연구는 이제껏 어느 시대의 천문학 연구보다 빠르고 정확해지고 있지만, 불규칙적인 태양의 운동에 대해서는 거의 모든 것이 불투명합니다. 많은 어려움에도 불구하고, 태양을 연구하는 천문학자와 물리학자분들께 깊은 경의를 표합니다.

 

다음 글 보기 : 기적 같은 존재 '지구'와 그 '형제'들

 

 

각주

[4] 태양계 모든 천체중 가장 큰 크기는 아닙니다. 먼지원반이 가장큰 규모를 자랑하고 있습니다.

[5] 흑체에서 빠져나온 파장 가운데 에너지 밀도가 가장 큰 파장과 흑체의 온도가 반비례한다는 법칙을 말합니다. 즉 별이 내뿜는 온도와 파장은 반비례합니다.

[6] 열역학 제2법칙은 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가 감소하지 않는다는 법칙입니다. 즉 엔트로피(무질서도)는 항상 증가해야하며, 따라서 뜨거운 온도에서 차가운 온도로 열전달은 가능하지만 이 반대과정은 불가능 하다는 말입니다.

[7] 채층(Chromosphere)은 태양 광구 바로 위의 얇은 층의 대기이며, 대략 2,000 km정도의 깊이를 지니고 있습니다.

 

<외부 기고 콘텐츠는 이웃집과학자 공식 입장과 다를 수 있습니다>

 

김민재(mkim@astrophysik.uni-kiel.de)

Institute of Theoretical physics and Astrophysics,

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Germany

- CARMENES scientific member

- FOR 2285 Research Unit “Debris Disks in Planetary Systems” member


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