금성 궤도 안쪽에서 태양을 공전하는 소행성이 최초로 발견됐다. 지난 13일 과학기술매체 ‘라이브사이언스’에 따르면, 이탈리아의 온라인 관측소인 ‘가상 망원경 프로젝트(Virtual Telescope Project)’는 미확인 소행성이 태양과 가장 가까운 궤도를 돌고 있는 것을 확인하여 ‘2020 AV2’라고 명명했다고 밝혔다.
이 소행성이 처음 발견된 것은 지난 4일이다. 캘리포니아 공과대학(Caltech) 연구팀은 팔로마 천문대의 광역 천체 관측 장비인 ZTF(Zwicky Transient Facility)를 이용해서 ‘ZTF09k5’라는 새로운 소행성 후보를 발견했다. 발견 직후 이탈리아의 천문학자 지안루카 마시(Gianluca Masi) 박사는 자신이 설립한 가상 망원경 프로젝트를 통해서 소행성의 궤도가 금성과 수성 사이에 걸쳐 있다는 사실을 확인했다.
2020 AV2는 완벽하게 금성 궤도 안쪽을 공전하고 있어서 수성을 제외하고 태양계에 알려진 천체 중에 태양과의 최단 거리를 공전하는 소행성이다. 그러나 태양 가까이 도는 소행성은 알베도 측정이 어려워서 크기가 불확실한 편으로, 지름이 약 1~3km 정도인 것으로 추정된다.
원일점이 금성 궤도 안쪽인 최초의 소행성
현재까지 인류가 발견한 소행성은 약 79만 2000여 개에 이른다. 그중에서 지구 궤도 안쪽을 공전하는 소행성들은 ‘아티라(Atira)’ 또는 ‘아포헬레(Apohele)’ 소행성군이라 부르며, 이번에 발견된 2020 AV2를 합쳐도 고작 21개에 불과하다.
소행성의 궤도 기록은 주로 원일점을 기준으로 정한다. 때론 태양에 아주 가깝게 접근하는 매우 큰 타원 궤도의 소행성이나 혜성이 있기 때문이다.
지난해 6월에도 칼텍 연구팀은 동일한 ZTF 장비를 이용해서 ‘2019 LF6’라는 소행성을 발견한 바 있다. 이 소행성의 궤도는 약간 길쭉한 타원형으로, 태양에서 0.317~0.794 AU 거리를 오가고 있다. 원일점이 금성과 지구의 중간에 위치한 2019 LF6는 당시까지 발견된 소행성 중에서 태양과 가장 가까운 궤도를 도는 것으로 알려졌다.
이번에 발견한 2020 AV2의 궤도는 0.458~0.654 AU로 비교적 원형에 가깝다. 근일점은 수성 궤도 근처까지 가까워지나, 원일점이 금성 궤도 안쪽에 있어서 2019 LF6를 제치고 태양과 가장 가까운 소행성으로 등극했다. 공교롭게도 두 소행성 모두 태양 공전 주기가 151일로 똑같아서 가장 빨리 태양을 공전하는 소행성들이다.
일부 천문학자들은 2020 AV2의 독특한 궤도에 착안해서 금성(Venus)과 아티라(Atira)의 조합인 ‘바티라(Vatira)’ 소행성군이라는 새로운 그룹 명칭을 정하고 그 첫 번째 소행성으로 지칭하기 시작했다.
공전 궤도에 의문점 남아
2020 AV2의 발견은 과학자들에게 한 가지 의문점을 제시하고 있다. 소행성이 어떻게 금성 궤도 안쪽으로 이동할 수 있었냐는 것이다.
ZTF 프로젝트의 공동 연구원인 톰 프린스(Tom Prince) 칼텍 물리학부 교수는 “아마도 행성과 만나면서 금성 궤도 안쪽으로 진입했을 것이다. 이것은 탐사선이 행성의 중력 도움을 받아 가속하는 것과는 정반대 현상으로, 행성을 스치면서 에너지를 얻는 대신 오히려 잃어버릴 수도 있다”라고 그 이유를 추정했다.
칼텍 IPAC 천문학센터의 조지 헬루(George Helou) 전무이사도 비슷한 의견을 내놨다. 헬루 박사는 “금성 궤도를 통과하는 것은 매우 도전적인 일이다”라면서 “소행성이 그러한 궤도에 진입할 수 있는 유일한 방법은 수성이나 금성과의 중력적 만남을 통해 튕겨져 나오는 것이지만, 두 행성 중 하나에 충돌할 가능성이 더 크다”라고 밝혔다.
천문학자들은 금성 궤도 안쪽을 도는 소행성의 발견은 이제 시작에 불과하다고 전했다. 현재로선 얼마나 더 있는지 아무도 알지 못한다. 또한, 수성보다 더 안쪽에서 태양을 공전하는 소행성을 찾기 위한 연구도 진행되고 있다.
다행히 아티라 소행성들은 지구에 큰 위협을 주지 않는다. 이러한 소행성의 궤도는 지구까지 도달하지 않기 때문이다. 그러나 금성이나 수성과의 중력 상호 작용으로 궤도가 바뀔 가능성은 여전히 남아있지만 아직은 확실하지 않은 부분이 많이 있다.
태양 폭발 본격 감시
지구에 커다란 영향을 미치는 태양 표면 폭발(flare)의 첫 순간 분출 에너지를 처음으로 측정했다. 이에 따라 앞으로 플레어로 가속된 고에너지 입자들이 지구에 끼치는 위해성 여부를 좀 더 정확하게 예측할 수 있게 됐다.
지난 2017년 말 기존 태양 흑점 옆의 태양 표면에 거대한 새로운 자기장이 발생해 지구의 전자 통신 등에 문제를 일으킨 적이 있다. 자기 에너지의 강력한 충돌은 일련의 강력한 플레어를 일으켜 지구의 우주 기상 조건을 혼란시키는 것으로 알려져 있다.
또한 이때 방출되는 강력한 고에너지 입자는 우주선을 파괴하고 우주비행사들의 생명을 위협할 수 있다.
이번 측정은 미국 뉴저지 과학기술연구소(NJIT)가 최근에 가동을 시작한 캘리포니아 소재 오웬스 밸리 태양 관측 전파망원경(EOVSA)이 태양 폭발을 처음으로 관측한 것이다.
처음으로 태양 폭발 시간과 위치 정확히 파악
이 영상들을 기록한 태양 연구 과학자들은 과학저널 ‘사이언스’(Science) 17일 자에 발표한 논문에서 태양 폭발이 분출하는 플라즈마를 언제 어디서 10억 도에 달하는 에너지로 가열해 방출했는지를 처음으로 정확히 지적했다.
이들은 마이크로파 스펙트럼에서 수집된 자료를 활용해 플레어의 점화 직후 전개되는 자기장 강도를 정량적으로 측정할 수 있었고, 이 자기장 힘이 다른 에너지 형태로 전환되는 것을 추적했다.
자기장 에너지는 운동에너지와 열에너지 및 초열(superthermal) 에너지로 변환돼 플레어가 5분간 코로나를 통과하며 폭발 현상을 일으키는 동력을 공급했다.
지금까지 플레어나 혹은 다른 대규모 폭발이 일어나는 동안 코로나 자기장에서 발생한 이런 변화들은, 예를 들면 흰빛으로 보이는 태양 표면층인 광구(photosphere)에서 측정한 자기장의 추정 외삽법으로부터 간접적으로만 정량화되었다.
이런 외삽법(extrapolations)은 그 위치 자기장에서의 동적인 국부적 변화를 정확히 측정할 수 없고, 플레어의 에너지 방출을 특성화하기에는 시간이 짧다.
태양 폭발 구동시키는 입자 가속 정량화
논문 저자이자 NJIT 태양-지구 연구센터 물리학 석학연구교수인 그레고리 플라이쉬만(Gregory Fleishman) 박사는 “우리는 코로나에서 자기장 에너지가 방출되는 가장 핵심적인 위치를 집어낼 수 있었다”며, “이번에 제시한 이미지들은 플레어의 미세물리를 포착한 최초의 것으로, 에너지 변환을 가능케 하는 작은 시공간 규모에서 일어나는 상세한 연쇄 과정”이라고 밝혔다.
연구팀은 해당 지역의 자기 에너지 감소와 그와 동시에 일어나는 전기장의 힘을 측정함으로써 에너지 보존의 법칙과 일치하는 두 가지가 태양 폭발을 구동시키는 입자 가속과 그와 관련된 폭발 및 플라스마 가열을 정량화할 수 있음을 보여줄 수 있었다.
이런 기본적인 과정들은 감마선 폭발을 포함한 가장 강력한 천체물리학적 원천(source)들에서 일어나는 것과 동일하며, 기초 연구와 실제 핵융합 에너지 생성에 대한 실험실 실험에서도 마찬가지다.
마이크로파
13개의 안테나가 함께 작동하는 EOVSA는 광학, 자외선, X선 및 무선 파장을 포함해 1~18 GHZ 범위 안의 주파수 수백 개를 1초 안에 촬영할 수 있다.
플레어의 역학을 살펴볼 수 있는 이 향상된 능력으로 인해 우리 태양계에서 가장 강력한 폭발 현상을 조사할 수 있는 새로운 경로들이 열린 셈이다. 이 폭발은 태양 표면에 있는 자기장 라인의 재연결로 점화되고 코로나에 저장된 에너지로 구동된다.
논문 공저자이자 EOVSA 책임자인 데일 게리(Dale Gary) NJIT 물리학 석학교수는 “마이크로파 방출은 코로나 자기장 환경에 민감한 유일한 메커니즘이어서, 고유의 높은 케이던스(high-cadence)를 가진 EOVSA 마이크로파 스펙트럼 관측을 통해 자기장의 빠른 변화를 발견할 수 있다”고 말했다.
게리 교수는 “코로나 자기장 안에서 움직이는 고에너지 전자들은 마이크로파 범위에서 자기-감응 복사를 지배적으로 방출하기 때문에 측정이 가능하다”고 덧붙였다.
처음으로
EOVSA를 이용한 관측을 하기 전에는 가속된 고에너지 입자들이 태양 폭발에 의해 더욱 강력한 충격파로 가속돼 날아올 수 있는 광대한 공간을 감시할 방법이 없었다.
이렇게 가속된 입자들이 지구를 향하게 되면 우주탐사선을 파괴하고 우주비행사들을 위험에 빠뜨릴 수 있다.
게리 교수는 “플레어로 가속된 입자와 충격에 의해 가속된 입자의 관련성은 어떤 폭발 사건이 해가 없고 어떤 것이 위협이 되는지를 이해하는 중요한 부분”이라고 말했다.
EOVSA는 가동을 시작한 지 2년이 조금 넘어서부터 자동적으로 태양의 마이크로파 이미지를 생성해 과학자들이 매일 이를 활용할 수 있도록 하고 있다.
태양 활동은 11년 주기로 증가하는데, 이 마이크로파 이미지들은 처음으로 매일 태양 표면 위 1500마일 상공의 자기장 세기 지도인 코로나의 자력 기록을 제공하는데 활용하게 된다.
지구 와 지구 주변의 많은 행성들은 태양의 영향을 많이 받을수 밖에 없는데 앞으로 이런 점들을 미리 예측하여 태양학에 있어서 전문가들의
노력이 많이 요구된다.