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태양의 미스테리 1편

테양. 아침이면 해가 뜨고 저녁에는 해가 지며 태양 때문에 계절의 변화가 생긴다.


또한 태양은 지구의 역사, 신화, 문명, 기술, 과학, 문학 등 인류사에 지대한 공헌을 해왔다. 말 그대로 생명의 창조자인 셈이다.


오늘은 이 태양의 온도에 대해 알아보자. 태양에서 가장 뜨거운 곳은 어디일까?


당연히 핵융합 반응이 일어나는 핵이다. 태양의 핵은 1천500만도 정도로 추정되고 있다. 높은 온도와 높은 압력 덕분에 태양의 핵 에서는 매 초마다 4백만 톤의 물질이 에너지로 바뀌는 핵융합 반응이 일어난다.


그런 다음 핵융합이 탄생한 태양 에너지는 여러 층을 통과해 바깥으로 나온다. 따라서 바깥으로 갈수록 온도는 떨어지는데, 태양의 표면온도는 고작 5천도 정도밖에 안 된다.


하지만 이게 다가 아니다. 평상시 눈에 보이는 둥글고 노란 태양이라면 여기가 태양의 끝이 맞다. 하지만 태양의 끝은 아직 끝나지 않았다.


우리가 흔히 생각하는 태양의 표면은 광구(photosphere)라고 한다. 그리고 광구 밖으로 태양의 대기라 할 수 있는 채층(chromosphere)과 코로나(corona)가 있다. 채층은 특별한 필터를 쓰거나 달이 태양을 완전히 가리는 개기일식이 일어날 때 보인다. 그리고 코로나는 개기일식일 때만 보인다. 

태양의 끝은 없는 셈이다.


지금까지 태양의 구조를 일일히 설명한 이유는 바로 코로나 때문이다. 왜 코로나가 관심을 끄는 것일까?


사실 코로나 때문에 태양의 경계는 어디까지이다, 라고 얘기하기가 어렵다. 코로나는 태양 표면인 광구로부터 1천300만 킬로미터 정도 퍼져 있다. 

하지만 태양 자기장의 영향으로 크기와 모양이 계속 변하여 어디까지가 코로나다 하고 말하기 어렵다. 

크게 확장할 때 코로나의 범위는 태양계의 바깥 부위인 천왕성까지 닿을 정도다. 코로나는 우리 눈에 보이는 태양보다 훨씬 먼 곳까지 영향을 미치는 셈이다.

하지만 코로나에 대한 최대 관심거리는 온도이다. 태양 표면은 고작 5천도 밖에 안 되는데, 코로나는 무려 2백만 도나 된다. 

전구처럼 에너지와 빛을 내는 물질은 가장 안쪽이 뜨겁고 밖으로 갈수록 온도는 떨어지게 마련이다. 이것이 바로 물리학의 법칙이다. 


하지만 태양의 바깥은 예외다. 바깥으로 갈수록 뜨거워져 채층은 1만도 정도이고 코로나는 그보다 훨씬 온도가 높다. 

어떻게 코로나는 태양의 표면보다 무려 400배나 뜨거운 걸까? 이 점은 태양에 관한 최대 미스터리 중 하나다.


이 사실은 1930년대 후반에 발견되었다. 천문학자들이 태양의 코로나를 분광기로 관찰했다.

그러자 철, 칼슘, 니켈과 같은 원소가 높은 이온화 상태에 있다는 사실을 발견했다. 이들 원소가 이온화 상태라는 얘기는 온도가 최소 1백만도 이상이라는 의미이다.

열역학 제2법칙에 어긋나는 코로나.

그렇다면 무엇이 코로나를 그토록 뜨겁게 달구는 것일까? 표면보다 훨씬 뜨거운 코로나에 대해 직접적으로 열이 전달되는 방식으로는 불가능하다.


고온에서 저온으로 열에너지가 흐른다는 열역학 제2법칙에 위배되기 때문이다.

분명 코로나를 데우는 건 태양이니까. 천체물리학자들은 그동안 코로나의 비정상적인 온도를 설명하기 위해 여러 이론을 내놓았다. 그리고 그동안의 관측을 통해 많은 이론은 사라져갔다.

그런 가운데 최근 두 가지 이론이 유력한 것으로 받아들여지고 있다. 그 중 하나는 ‘파동 가열’(wave heating)이라는 이론이고 다른 하나는 ‘자기 재결합’(magnetic reconnection)이라는 이론이다.

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