태양, 모든 궤도와 생명이 시작되는 중심
태양이 없다면 행성들은 지금의 궤도를 돌 수 없고, 지구 역시 지금처럼 다양한 생명을 품을 수 없다. 태양의 중력은 행성과 소행성, 혜성을 하나의 질서 안에 붙들고, 태양이 내보내는 에너지와 입자는 태양계 곳곳의 환경을 끊임없이 변화시킨다. 하늘에서 매일 마주하는 밝은 원은 우리가 속한 세계의 구조와 생존 조건을 함께 만들어 낸 태양계의 중심별이다.
태양은 약 46억 년 된 수소와 헬륨의 별이며, 자체 중력이 거대한 플라스마를 붙잡는다. 태양계 전체 질량의 약 99.8%가 여기에 모여 있어 행성들의 궤도를 지배하고, 핵의 높은 압력과 온도를 유지해 수십억 년 동안 빛을 낸다. 앞으로 약 50억 년이 지나 중심핵의 수소가 고갈되면 태양은 적색거성으로 부풀어 수성과 금성을 삼킬 것이며, 지구는 그보다 앞서 생명이 버틸 수 없는 세계가 되고 끝내 태양에 삼켜질 가능성도 있다. 이후 태양은 외층을 우주로 흩뿌리고 백색왜성으로 남으며, 살아남은 바깥 행성들은 더 넓어진 궤도에서 식어 가는 태양의 잔해를 돌게 된다.
- 약 1,500만°C 수소가 서로 합쳐져 에너지를 만드는 태양 중심부의 온도
- 약 17만 년 태양 중심의 에너지가 복사층을 지나 바깥쪽으로 전달되는 데 걸리는 시간
- 약 5,500°C 우리가 태양의 표면처럼 보는 광구의 온도
- 최대 수백만°C 태양의 바깥 대기인 코로나가 도달할 수 있는 온도
태양 중심의 에너지는 어떻게 바깥으로 이동할까
핵에서는 수소 원자핵들이 결합해 헬륨을 만들고, 아주 작은 질량 차이가 에너지로 바뀐다. 하지만 생성된 에너지가 한 광자에 담겨 표면까지 곧장 날아오는 것은 아니다. 복사층에서는 빛이 입자와 상호작용하며 방향과 에너지를 계속 바꾼다. ‘약 17만 년’은 빛 하나의 이동 시간이 아니라, 태양 중심의 에너지가 여러 층을 거쳐 바깥쪽에 도달하는 데 걸리는 시간이다.
더 바깥의 대류층에서는 뜨거운 플라스마가 올라오고 식은 물질이 가라앉는다. 광구에서 보이는 쌀알 같은 과립은 이 거대한 끓음의 표면 흔적이다. 우리가 표면이라 부르는 광구도 단단한 껍질이 아니다. 플라스마가 특정 깊이 아래에서 불투명해져 빛이 빠져나오기 어려워지는, 관측 가능한 경계에 가깝다.
태양빛은 중심에서 표면까지 단숨에 도착하지 않는다. 에너지가 물질 사이를 수없이 오간 끝에 비로소 우주로 나온다.
태양 활동은 왜 약 11년마다 달라질까
태양은 기체가 아니라 전하를 띤 플라스마여서 회전과 흐름이 자기장을 만든다. 적도와 고위도는 같은 속도로 돌지 않고, 내부 흐름은 자기장 선을 비틀고 감는다. 약 11년을 중심으로 흑점과 폭발 활동이 늘었다 줄며, 자기 북극과 남극의 극성이 뒤바뀐다. 실제 주기의 길이와 활동 세기는 매번 똑같지 않다.
흑점은 구멍이 아니라 강한 자기장이 대류를 억제해 주변보다 차가워 보이는 영역이다. 비틀린 자기장이 재결합하면 플레어와 코로나질량방출이 에너지와 물질을 우주로 보낼 수 있다. 지구에 도달한 입자와 자기장 변화는 오로라를 만들지만, 강할 때는 위성 전자장치·통신·전력망과 우주비행사의 방사선 환경에도 영향을 준다.
태양 활동은 약 11년을 주기로 강해졌다 약해지지만, 매번 같은 시기와 세기로 반복되지는 않는다. 흑점은 태양의 상태를 보여주는 한 가지 단서일 뿐이며, 폭발의 방향과 자기장의 모습도 함께 살펴야 한다.
표면보다 뜨거운 하늘
태양의 눈에 보이는 표면인 광구 위에는 채층, 전이영역, 코로나가 차례로 이어진다. 보통은 열원에서 멀어질수록 식을 것 같지만, 태양의 대기는 반대다. 코로나에서는 온도가 다시 올라 수백만 도에 이른다. 코로나는 매우 희박하지만 입자들이 빠르게 움직이며, 자기장의 움직임이 에너지를 더하는 것으로 보인다. 다만 코로나가 정확히 어떻게 뜨거워지는지는 아직 연구 중이다.
코로나의 일부 입자는 태양의 중력을 벗어나 우주로 퍼져 나가며 태양풍이 된다. 태양풍에는 빠른 흐름과 느린 흐름이 있고, 멀리 갈수록 서로 섞여 처음의 특징이 흐려진다. 그래서 과학자들은 태양 가까이 다가가 태양풍이 어디서 시작되고 어떻게 빨라지는지 살펴본다.
- 핵융합 중심부에서 수소가 헬륨으로 바뀌며 에너지가 생긴다.
- 복사와 대류 에너지가 조밀한 내부에서 재분배되고 뜨거운 플라스마가 표면으로 오른다.
- 자기 대기 광구 위에서 꼬인 자기장이 코로나를 가열하고 때로 폭발적으로 재구성된다.
- 태양풍 빠져나온 플라스마와 자기장이 행성 너머까지 태양권을 만든다.
파커 태양 탐사선은 얼마나 가까이 접근했을까
Parker Solar Probe는 2018년 발사된 뒤 금성의 중력을 이용해 궤도를 줄여 갔다. 2021년에는 태양 물질이 태양에 붙들린 영역과 바깥으로 빠져나가는 영역의 경계인 알벤 임계면을 넘어 코로나를 직접 통과했다. 그 경계가 매끈한 구가 아니라 굴곡지고 여러 번 드나들 수 있는 표면임을 현장에서 확인했다.
2024년 12월, 파커 태양 탐사선은 태양 표면에서 약 610만 킬로미터 떨어진 곳까지 다가갔다. 태양에 착륙하거나 내부로 들어간 것은 아니다. 강력한 열을 막는 방패 뒤에서 자기장과 플라스마, 고에너지 입자를 측정하고 태양풍의 모습을 촬영했다. 덕분에 과학자들은 태양을 멀리서 바라보는 데 그치지 않고, 가장 가까운 별에서 어떤 일이 일어나는지 현장에서 살펴볼 수 있게 됐다.