+ 태양계의 경계는 어디인가?

태양계의 경계는 어디인가 ?

- 태양계 경계와 관련된 모든 것

우리 태양계의 경계는 어떻게 정하나요?

태양계는 보통 끝이 있는 사물이나 경계가 있는 행정구역처럼 정확히 경계를 나눌 수 있는 대상이 아니죠.

그런 의미에서 태양의 영향력 - 빛이나 중력 또는 태양의 자기장이나 태양풍과 같은 - 이 미치는 곳까지의 권역을 태양계라고 할 수도 있습니다.

그렇다면, 만약 빛을 그 기준으로 한다면 올바른 것일까요? 짐작할 수 있겠지만, 태양과 멀어지면 멀어질 수록 태양빛은 점점 희미해집니다. 하지만, 갑자기 없어지거나 빛이 멈추지는 않죠.

중력은 어떨까요. 중력 역시 태양빛과 마찬가지로 어떠한 지점에서의 단절없이 연속적으로 연결됩니다. 단지 약해질 뿐이죠. 즉, 우리 태양계의 경계의 기준으로 사용될 수 없습니다.

지금도 천문학자들은 명왕성 너머의 어떠한 것을 찾기 위해 밤낮으로 애쓰고 있죠.

이러한 상황에서 태양계의 경계를 정의 내리는데 helliosphere는 꽤 합리적인 기준이 될 수 있습니다.

태양풍과 성간매질(ISM, interstellar medium)이 충돌하면 어떤 일이 벌어질까?

비록 성간매질의 밀도가 매우 낮다 하더라도 미약하나마 압력은 지니고 있습니다.(기압과 비슷하죠. 일반적으로 가스와 먼지로 구성되어 있다고 하는데, 가스의 구성비가 약 99%정도로 추정하고 있습니다.) 태양풍 역시 압력을 가지고 있죠. 만약 성간물질이 태양과 가까이에 있다면, 태양풍의 압력으로 인해 저 멀리 태양계 밖으로 밀어낼 정도로의 힘을 가지고 있습니다. 하지만 태양에서 매우 멀리 떨어진 곳이라면 얘기가 달라집니다.

그곳에서는 오히려 성간매질이 거기까지 날아오느라 힘이 빠진 태양풍의 속도를 느리게 하거나 또는 아예 멈춰서게 만듭니다.

이렇게 태양에서부터 태양풍이 정지하거나 속도가 급격히 줄어드는 구간까지를 heliosphere라고 부릅니다. 그리고 태양풍의 속도가 줄어들면서 성간매질과 상호작용을 일으키는 구역을 helliosheath라 합니다. heliosheath는 보통 세 부분으로 나눌 수 있습니다. 가장 안쪽에 위치한 termination shock, 가장 바깥에 위치한 heliopause, 그리고 그 중간 구간으로나누게 됩니다.

태양은 성간매질과 서로 영향을 주고 받으며 움직이기 때문에 heliosphere는 마치 바다에 떠 있는 보트와 같은 파동이나 움직임을 만들어 냅니다. 이걸 바로 bow shock 또는 bowwave라고 합니다.

그렇다면 성간매질(ISM, Interstellar medim)이란 무엇일까요?

태양계 밖의 우주는 사실 비어있는 것이 아닙니다. 성간매질은 우리 은하수 은하에서 별 사이에 존재하는 각종 물질을 일컬어 통칭하는 말입니다. 주로 수소와 헬륨 가스로 구성되어있죠. 간혹 탄소와 같은 무거운 원소도 있습니다. 앞서도 언급했듯이 약 1%만이 먼지의 형태로 존재합니다.

성간매질이 전 우주에 걸쳐 일정한 밀도로 존재하는 것은 아닙니다. 어떤 곳은 밀도가 높고 또 어떤 곳은 그렇지 않는 곳도 있습니다. 하지만 비록 성간매질의 밀도가 가장 높은 곳이라할지라도 지구의 대기 밀도에 비하며 1014배나 적은 밀도를 가집니다.(100,000,000,000,000 or 100 trillion) 보통 ISM의 밀도는 뜨거운 지역에서는 입방 센티미터당 0.03 분자에서부터 별이 생성되는 고밀도지역에서는 입방 센티미터당 100,000 분자 정도를 가집니다. 평균적으로는 입방 킬로미터당 약 1,000개의 분자가 존재합니다.

bow shock 또는 bow wave는 뭔가요?

bow shock 또는 bow wave는 태양이 성간매질 사이를 가로지르며 이동하기 때문에 heliosphere 앞부분에서 발생하는 일종의 파동을 의미합니다. 앞에서 언급했듯이 bow wave는 바다에 떠있는 보트의 뱃머리를, 그리고 bow shock는 초음속 제트기의 앞에 만들어지는 소닉 붐을 연상하면 쉽게 이해가 될 것입니다.

만약 태양이 성간매질 사이를 음속보다 더 빠른 속도로 이동한다면, bow shock이 발생하겠죠. 그 속도보다 낮은 속도로 이동하면 바로 bow wave가 발생하는 것입니다.

heliopause는 뭡니까?

heliopause는 태양풍과 성간매질의 경계를 말합니다. 태양풍은 비누방울처럼 heliosphere를 성간매질 안에 형성시킵니다. 이 비눗방울 바깥쪽 경계에서는 태양풍의 세력이 성간매질을 밀어낼만큼 강하지가 않습니다. 이 구역을 heliopause라고 일컫습니다. 그리고 대개 태양계의 외부 경계라하면 바로 이 곳을 지칭하는 것이라고 생각하면 됩니다.

앞서 언급했듯이termination shock과 heliopause를 묶어 heliosheath라고도 합니다.

termination shock는요?

termination shock는 태양의 영향이 미치는 권역 끝을 나타내는 태양계의 경계 중에 하나이죠. 태양풍의 속도가 느려지고 그래서 입자들이 음속보다 더 느린 속도로 이동하는 곳을가리켜 termination shock이라 합니다. 플라즈마로 이루어진 태양풍의 입자들은 성간매질을 맞닥드리는 순간부터 속도가 느려지는데요. 이때부터 태양풍은 변화하기 시작합니다.

태양풍의 플라즈마가 많은 사람들이 좁은 방안에 들어가 있는 것처럼 압축되는 것이죠. 그러면 자연스레 온도는 올라가게 됩니다. 또한 태양풍은 태양자기장도 포함하고 있는데, 이 역장이 terminationshock에서는 오히려 그 세력이 강해집니다.

현재까지 우리는 termination shock까지의 거리를 직접적으로 측정할 수 있는 방법을 두가지 가지고 있습니다. 바로 Voyager1호와 Voyager2를 통해서이죠. Voyager1는 termination shock를 지나 약 94AU를, Vayager2호는 84AU를 가로질러 갔습니다.

자, 그럼 태양계의 경계가 도대체 나랑 무슨 상관인가요?

아래 그림은 태양계 경계를 가로 질러가는 고 에너지 우주선(cosmic rays)의 한 부분을 보여주고 있습니다. 이러한 우주선은 bow shock 바깥에 거의 100%의 상태로 존재하죠. 하지만 heliopause안으로 들어오는 것은 쉽지가 않습니다. 거의 50% 이상이 heliopause와 termination shock 사이 약 100AU 거리 내에서 멈추게 되기 때문입니다. 결국 약 25%만의 우주선만이 태양계 내부로 투과되어 들어올 수 있습니다.

만약 태양계가 경계를 가지고 있지 않거나 경계면의 크기가 변화해서 만약 지구 공전궤도 안쪽에 들어오게 된다면, 우리가 직접 받는 우주선은 현재의 약 4배 이상이 될 것입니다. 운좋게도 우리 지구에는 자기권(magnetosphere)이라는 것이 존재해서 태양계 외부에서 오는 우주선을 차단해 주고 있죠. 하지만 만약 고 에너지의 우주선이 태양계 내부로 과다 투과되고 지구 표면에도 닿게 된다면, 지구의 오존층은 큰 피해를 입게 되고 결국 지구 생명체는 DNA 파괴 또는 변이라는 엄청난 변화를 겪게 될 것입니다.

우주선(cosmic rays)은 뭔가요?

우주선은 매우 혼동하기 쉬운 용어입니다. 일반적으로는 지구 밖에서 오는 모든 에너지 입자를 통칭하여 우주선이라고 말합니다. 이 입자는 하나의 양자일수도, 원자나 전자의 핵일 수도있습니다. 우주선은 빛도 아니고 입자의 광선도 아닙니다. 따라서 에너지를 지닌 우주 입자(energetic cosmic particles)로 명명하는게 더 낫지 않을까 합니다.

우주선은 별이 폭발을 할때 주로 만들어 집니다. 이를 수퍼노바라고 하는데요. 몇몇의 경우에는 태양에 의해서도 만들어지고, 또 어떤 것들은 다른 은하에서도 오는 것이 있습니다. 이러한 입자들은 매우 활동적입니다. 하지만 매우 작죠. 그렇기 때문에 우주를 여행하면서 다른 어떤 것들과 부딪치는 경우가 거의 없습니다.

거의 없다는 것은 충돌하는 경우도 있다는 것인데요. 충돌할 경우 상대 물질의 원자와 핵반응을 일으키게 됩니다. 이러한 핵반응은 입자에 추진력을 배가시켜주기도 합니다.

태양의 heliosphere는 행성들과 태양계의 다른 물질들을 이러한 위험한 외부 입자로부터 보호해 주는 기능을 합니다. 따라서, heliosphere를 연구하는 것 미래에 있을 우주여행을 위해서도 매우 중요하다 할 수 있습니다.

우주선이 DNA에 미치는 영향은요?

우주선의 가장 위험한 점은 바로 DNA에 큰 손상을 입힌다는 것입니다. DNA 손상이 세포에 의해 바로 치유되지 않으면 그 세포는 죽게됩니다. 이러한 세포 죽음은 그 주변에 있는 세포에게로 전이되어 결국에는 돌연변이 현상이 발생하게 되죠. 많은 양의 우주선에 노출되면 암 발생과 백내장 그리고 신경계 질환이 발생할 확률이 매우 높아집니다. 장기간 노출이든지 단기간 대량 노출이든지간에 우주선은 우리 지구 생명체의 진화를 촉진시킬 수 있습니다. 그 진화방향이 좋은 쪽이든 나쁜 쪽이든 상관없이 말이죠.

출처 : NASA (http://www.nasa.gov/mission_pages/ibex/IBEXDidYouKnow.html)