태양의 폭발적인 분노: 초대형 태양폭풍의 위협

태양과 비슷한 별들은 평균적으로 100년에 한 번씩 거대한 빛의 폭발을 일으킨다. 이러한 초대형 태양폭풍은 수조 개의 수소폭탄보다 더 많은 에너지를 방출하며, 지금까지 기록된 어떤 태양폭풍보다도 강력하다. 이러한 추정은 독일 막스 플랑크 태양계 연구소(MPS)가 이끄는 국제 연구팀이 2024년 12월 13일에 발표한 연구 결과에 따른 것이다. 이 연구는 이전 연구들이 이러한 별들의 폭발적인 잠재력을 크게 과소평가했음을 보여준다. NASA의 케플러 우주 망원경의 데이터를 통해, 초대형 태양폭풍을 일으키는 태양과 유사한 별들이 이전에 추정된 것보다 10배에서 100배 더 빈번하게 발견되고 있다. 태양 역시 이러한 폭력적인 폭발을 일으킬 수 있다.

태양이 변덕스러운 별이라는 것은 의심의 여지가 없다. 올해만 해도 유난히 강력한 태양폭풍이 발생하여 저위도 지역에서도 멋진 오로라를 관측할 수 있었다. 그러나 우리의 태양은 더욱 격렬해질 수 있을까? 가장 격렬한 태양의 "화풀이"의 증거는 선사 시대의 나무 줄기와 수천 년 된 빙하 시료에서 찾을 수 있다.

그러나 이러한 간접적인 자료로부터 초대형 태양폭풍의 빈도를 알아내는 것은 불가능하다. 그리고 태양으로부터 지구에 도달하는 방사선량의 직접적인 측정은 우주 시대가 시작된 이후에야 가능해졌다.

우리 태양의 장기적인 행동을 알아보는 또 다른 방법은 별을 관측하는 것이다. 새로운 연구는 이러한 접근 방식을 취하고 있다. 현대의 우주 망원경은 수천 개의 별을 관측하고 가시광선에서의 밝기 변화를 기록한다. 짧은 시간 동안 100경 줄 이상의 에너지를 방출하는 초대형 태양폭풍은 관측 데이터에서 짧고 뚜렷한 밝기의 피크로 나타난다. MPS의 소장이자 공동 저자인 사미 솔란키 교수는 "우리는 수천 년 동안 태양을 관측할 수 없다"며 "대신, 우리는 수천 개의 태양과 매우 유사한 별들의 행동을 단기간에 모니터링할 수 있다. 이를 통해 초대형 태양폭풍이 얼마나 자주 발생하는지 추정할 수 있다"고 설명했다.

 

 

태양과 유사한 별들의 극적인 폭발

그라츠 대학(오스트리아), 오울루 대학(핀란드), 일본 국립 천문대, 콜로라도 볼더 대학(미국), 파리-삭레이 원자력 및 대체 에너지 위원회, 파리-시테 대학 등의 연구원들이 참여한 연구팀은 NASA의 케플러 우주 망원경이 2009년부터 2013년 사이에 관측한 56,450개의 태양과 유사한 별들의 데이터를 분석했다. 그라츠 대학의 알렉산더 샤피로 교수는 "케플러 데이터 전체를 통해 우리는 22만 년 동안의 별의 활동 증거를 얻었다"고 말했다.

이 연구에서 중요한 것은 분석 대상 별들의 신중한 선택이었다. 선택된 별들은 태양과 특히 가까운 "친척"이어야 했다. 따라서 과학자들은 표면 온도와 밝기가 태양과 유사한 별들만을 포함했다. 또한 우주 방사선, 소행성이나 혜성의 통과, 태양과 유사하지 않은 별들이 케플러 이미지에서 우연히 태양과 유사한 별 근처에서 폭발하는 등의 다양한 오류 원인을 배제했다.

이를 위해 연구팀은 각각의 잠재적인 초대형 태양폭발 이미지를 면밀히 분석하여, 선택된 별 중 하나에 확실하게 할당할 수 있는 사건들만을 계수했다.

이러한 방식으로 연구팀은 관측된 56,450개의 별 중 2,527개에서 2,889개의 초대형 태양폭발을 확인했다. 이는 평균적으로 태양과 유사한 별 하나가 약 100년에 한 번씩 초대형 태양폭발을 일으킨다는 것을 의미한다.

파리-삭레이 원자력 및 대체 에너지 위원회와 파리-시테 대학의 공동 저자인 앨런 사샤 브룬 박사는 "이러한 태양형 별들의 고성능 다이나모 계산은 이러한 초대형 태양폭발 동안 강렬한 에너지 방출의 자기 기원을 쉽게 설명한다"고 말했다.

 

 

 

새로운 발견과 의문

"태양과 유사한 별들이 이렇게 빈번하게 초대형 태양폭풍을 일으킬 수 있다는 사실에 매우 놀랐습니다." MPS의 발레리 바실리예프 박사는 말했다. 이전의 다른 연구팀들의 조사에서는 평균적으로 천 년 또는 심지어 만 년 간격으로 발생한다는 결과가 나왔다. 그러나 이전 연구들은 관측된 폭발의 정확한 원인을 파악할 수 없었기 때문에, 망원경 이미지에서 너무 가까운 이웃이 없는 별들로 연구를 제한해야 했다. 현재 연구는 지금까지 가장 정밀하고 민감한 연구이다.

극심한 태양 현상 사이의 더 긴 평균 시간 간격은 지구에 영향을 미치는 폭력적인 태양 폭풍의 증거를 찾는 연구에서도 제시되었다. 태양에서 방출된 특히 높은 에너지 입자의 유속이 지구 대기에 도달하면, 방사성 탄소 동위원소 14C와 같은 검출 가능한 양의 방사성 원자를 생성한다. 이러한 원자들은 나무의 나이테나 빙하의 얼음과 같은 자연 기록 보관소에 축적된다. 수천 년이 지난 후에도, 현대 기술을 사용하여 14C의 양을 측정함으로써 높은 에너지 태양 입자의 갑작스러운 유입을 추론할 수 있다.

이러한 방식으로 연구원들은 지난 1만 2천 년 동안의 홀로세 시대에 5건의 극심한 태양 입자 사건과 3건의 후보 사건을 확인했으며, 이는 평균적으로 1,500년에 한 번 발생하는 빈도를 나타낸다. 가장 격렬한 사건은 기원후 775년에 발생한 것으로 추정된다. 그러나 과거에 더 많은 폭력적인 입자 사건과 초대형 태양폭풍이 태양에서 발생했을 가능성이 매우 높다. "거대한 폭발이 항상 코로나 질량 방출을 동반하는지, 그리고 초대형 태양폭풍과 극심한 태양 입자 사건 사이의 관계는 무엇인지는 아직 불분명합니다. 이를 위해서는 추가 연구가 필요합니다." 핀란드 오울루 대학의 공동 저자인 일리야 우소킨 교수는 지적했다. 따라서 과거 극심한 태양 현상의 지구적 증거를 살펴보는 것은 초대형 태양폭풍의 빈도를 과소평가할 수 있다.

 

 

 

태양의 폭발적 위협에 대한 대비

새로운 연구는 태양이 다음번에 언제 폭발할지 밝히지는 않는다. 그러나 연구 결과는 경계를 촉구한다. MPS의 공동 저자인 나탈리 크리보바 박사는 "새로운 데이터는 가장 극심한 태양 현상조차도 태양의 자연적인 레퍼토리의 일부라는 것을 분명히 보여준다"고 말했다. 1859년의 캐링턴 사건은 지난 200년 동안 가장 격렬한 태양 폭풍 중 하나로, 북유럽과 북미의 대부분 지역에서 전신망이 마비되었다. 추정에 따르면, 이와 관련된 폭발은 초대형 태양폭풍의 100분의 1에 불과한 에너지를 방출했다.

 

오늘날에는 지구 표면의 인프라뿐만 아니라 특히 위성들이 위험에 처할 수 있다.

강력한 태양 폭풍에 대한 가장 중요한 대비는 신뢰할 수 있고 시기적절한 예측이다. 예방 조치로, 예를 들어 위성을 끄는 것이 가능하다. 2031년부터 ESA의 우주 탐사선 비질은 예측 노력에 도움을 줄 것이다. 우주에서 관측 위치를 통해, 지구 기반 탐사선보다 더 빨리 위험한 우주 날씨를 유발할 수 있는 과정이 우리 별에서 발생하고 있는 것을 감지할 수 있다. MPS는 현재 이 임무를 위한 편광 자기 이미저를 개발하고 있다.