태양의 코로나 연구: 차세대 코로나그래프와 BITSE 미션

태양의 코로나란 무엇인가?

태양의 코로나(Solar Corona)는 태양의 가장 바깥층 대기로, 고온의 플라즈마로 구성되어 있으며 표면보다 훨씬 높은 온도를 유지하는 신비로운 영역입니다. 코로나의 온도는 수백만 켈빈(K)에 이르며, 코로나 질량 방출(Coronal Mass Ejection, CME)과 태양풍(Solar Wind) 등의 현상을 통해 태양 활동과 우주 환경에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 태양의 코로나를 연구하는 것은 태양물리학과 우주 기상 예측에 있어 필수적입니다.

본 연구에서는 차세대 태양 코로나그래프 개발과 함께, 한국천문연구원(KASI)과 NASA가 공동으로 수행한 BITSE(Balloon-borne Investigation of Temperature and Speed of Electrons in the Corona) 미션을 중심으로 태양의 코로나 연구가 어떻게 진행되고 있는지 살펴봅니다.

차세대 태양 코로나그래프(NGC)의 역할

1. 기존 코로나그래프와의 차이점

기존의 태양 코로나그래프는 태양의 강한 빛을 차단하여 코로나만을 관측하는 장비로, 주로 가시광선과 자외선 대역에서 작동합니다. 그러나 차세대 태양 코로나그래프(Next Generation Coronagraph, NGC)는 미세 편광 배열을 갖춘 편광 카메라와 4개의 밴드패스 필터를 사용하여 전자 온도 및 속도를 동시에 측정할 수 있도록 설계되었습니다. 이를 통해 태양풍과 CME의 형성 과정을 보다 정밀하게 분석할 수 있습니다.

2. 편광 분석을 통한 전자 온도 및 속도 측정

태양의 코로나에서 전자의 온도는 K-코로나(K-corona) 스펙트럼의 변화를 통해 측정됩니다. 기존 연구(예: Reginald et al., 2009, 2017; Cho et al., 2020)에서는 편광 분광 방법을 이용하여 태양 코로나의 온도와 속도를 측정해 왔으며, 2006년, 2016년, 2019년 개기일식 관측에서도 이러한 방법이 적용되었습니다. NGC는 이와 같은 원리를 이용하여 연속적인 관측을 수행할 수 있도록 개발되었습니다.

 

BITSE 미션: 태양 코로나 연구를 위한 고고도 기구 실험

1. BITSE 미션 개요

BITSE(Balloon-borne Investigation of Temperature and Speed of Electrons in the Corona) 미션은 한국천문연구원(KASI)과 NASA의 고다드 우주비행센터(GSFC)가 공동으로 수행한 프로젝트입니다. 이 미션의 목표는 고고도 과학 기구를 이용하여 태양 코로나에서 전자의 온도와 속도를 측정하는 과학적 방법론을 검증하는 것이었습니다. BITSE 미션을 통해 얻어진 데이터는 향후 인공위성 기반의 코로나 연구에 활용될 수 있습니다.

2. BITSE 미션의 구성 요소

BITSE 미션은 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어졌습니다.

• 편광 카메라 및 필터 휠: 태양 코로나의 편광 변화를 측정하여 전자 온도를 분석
• 명령 및 데이터 처리 시스템(Command & Data Handling, C&DH): 메인 전자 장치 및 비행 소프트웨어(FSW)로 구성되어 기구의 운영을 제어
• 지상 운영 소프트웨어: 실시간 데이터 분석 및 명령 송수신

BITSE 미션은 2019년 9월 18일 미국 뉴멕시코주 포트 섬너(Fort Sumner)에서 발사되었으며, 약 40km 상공에서 4시간 동안 태양 코로나를 관측하며 16,000장의 이미지를 수집하였습니다.

 

BITSE 미션의 주요 성과

1. 코로나 전자 온도 및 속도 측정

BITSE 미션에서는 태양 코로나에서 전자 온도를 측정하기 위한 새로운 방법을 시험하였으며, 기존 연구와 비교하여 유의미한 결과를 도출하였습니다. 특히, 편광 분석을 통해 기존 지상 기반 관측보다 높은 정밀도로 데이터를 확보하였습니다.

2. 우주 관측 기술 검증

BITSE 미션의 또 다른 중요한 성과는 차세대 코로나그래프 및 기구 기반 관측 기술의 검증입니다. 기구를 활용한 태양 연구는 비용 효율적이며, 지구 대기의 영향을 적게 받아 우수한 품질의 데이터를 확보할 수 있습니다. 본 연구를 통해 향후 유사한 방식의 태양 관측 미션에 적용될 기술적 기반을 마련하였습니다.

3. 태양 활동 연구와의 연관성

BITSE 미션에서 확보한 태양 코로나 데이터는 태양풍과 CME의 기원을 분석하는 데 기여할 수 있습니다. 이는 향후 태양 활동 예측 및 우주 기상 연구에 중요한 자료로 활용될 것입니다.

 

향후 연구 방향 및 응용

1. 위성 기반 코로나 연구

BITSE 미션에서 검증된 기술들은 향후 인공위성 기반 태양 관측 미션에 적용될 가능성이 큽니다. NASA와 KASI는 향후 국제우주정거장(ISS)에서 수행될 CODEX(Coronal Diagnostic Experiment) 미션에 BITSE 미션의 성과를 활용할 계획입니다.

2. 기구 기반 태양 연구 확대

과학 기구를 이용한 태양 연구는 비용 대비 효율성이 높은 방법으로, 향후 더욱 다양한 연구 프로젝트에 적용될 수 있습니다. 특히, 한국에서는 이러한 기구 기반 연구가 상대적으로 드문 편이었으나, BITSE 미션을 통해 향후 독자적인 연구가 가능할 기반을 마련하였습니다.

3. 우주 기상 예측 개선

태양 코로나의 온도와 속도 변화를 지속적으로 관측하면 태양풍과 CME의 발생을 예측하는 데 큰 도움이 됩니다. 이러한 연구는 위성 통신, GPS, 전력망 등 현대 사회에 필수적인 기술들의 안정성을 확보하는 데 기여할 것입니다.

 

결론

태양의 코로나 연구는 태양 활동과 우주 환경을 이해하는 데 핵심적인 역할을 합니다. BITSE 미션은 차세대 태양 코로나그래프의 성능을 검증하고, 태양 코로나에서 전자의 온도 및 속도를 측정하는 새로운 방법을 시험하였습니다. 이를 통해 향후 인공위성 및 과학 기구 기반 태양 연구의 방향성을 제시하였으며, 태양 활동 및 우주 기상 예측을 더욱 정밀하게 수행할 수 있는 기반을 마련하였습니다.

BITSE 미션에서 얻은 성과는 향후 태양 연구의 중요한 이정표가 될 것이며, 태양 코로나의 신비를 밝히기 위한 지속적인 연구가 필요합니다.