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2017년 8월 21일(현지 시간), 오전 10시 17분부터 오후 2시 35분까지 미국 대륙을 횡단하는 개기일식이 일어난다. 일식은 신비로운 현상일 뿐 더 이상 연구할 것은 없다고 생각하기 쉽지만, 전혀 그렇지 않다. 과학자들은 태양의 신비를 밝히기 위해, 짧은 시간 동안 다양한 연구를 계획하고 있다.


개기일식은 달에 의해 태양빛이 완전히 가려지는, 달의 본그림자가 지구를 가로지르면서 발생하는 현상으로, 대략 1~2년마다 한 번씩 발생한다. 이렇게 생각보다 자주 발생하는 개기일식을 우리가 쉽게 볼 수 없는 이유는, 달의 본그림자 크기가 지구에 비해 무척 작기 때문이다. 달의 본그림자는 달에서부터 멀어질수록 그 크기가 작아진다. 따라서 달과 지구 사이의 거리에 따라 지구상의 본그림자 크기도 달라진다. 달이 가까울 때는 지표면에서의 그림자 크기가 250km에 이르는 경우도 있지만, 달이 멀 때는 아예 본그림자가 지구에 닿지 않아 개기일식이 발생하지 않는다. 이처럼 개기일식이 일어날 때 달의 본 그림자가 지구를 가로지르는 면적은 지구 표면적의 1%가 채 안 되는 작은 면적이기 때문에, 한 지역에서 평생을 사는 사람은 개기일식을 일생에 한 번 보기도 어렵다.
 

개기일식 때만 관측할 수 있었던 태양 코로나

한 장소에서 개기일식이 지속되는 시간은 달 본그림자의 크기와 이동속도 등에 의해 달라진다. 최대 7분 정도까지 가능하지만 보통 3~4분을 넘지 않는다. 이번 미국 개기일식은 2분 40초가 한 장소에서 개기일식이 가장 오래 지속되는 시간이다.

태양빛이 완전히 가려지는 개기일식이 태양빛의 일부분만 가려지는 부분일식이나 금환일식에 비해 특별한 이유는 하늘의 밝기가 현저하게 차이나기 때문이다. 낮 시간 동안의 하늘은 산란된 태양빛으로 인해 파랗게 빛나고 그 밝기는 태양표면 밝기의 100만분의 1 정도다. 하지만 태양빛이 완전히 가려지는 개기일식 중에는 하늘의 밝기가 평상시의 1000분의 1 정도로 어두워진다.

이렇게 어두워진 하늘을 통해 평소에는 보기 어려운 태양 주변의 천문현상을 볼 수 있다. 대표적인 것이 태양 코로나다. 태양의 코로나는 태양 주위의 전자나 황도면상의 먼지에 의해 태양빛이 산란된 것으로, 태양 주위가 가장 밝고 바깥으로 갈수록 어두워진다. 태양 주위의 가장 밝은 코로나가 평상시 하늘 밝기와 비슷하기 때문에, 평소에는 태양 코로나를 보기 어렵지만 개기일식으로 하늘이 어두워지면 태양의 코로나를 선명하게 볼 수 있게 된다.

물론 오늘날에는 태양을 가리고 코로나를 관측할 수 있는 코로나그래프를 높은 산이나 우주에 올려 언제든 코로나를 관측할 수 있다. 하지만 코로나그래프가 개발되기 전까지 개기일식은 코로나를 관측할 수 있는 매우 드문 기회였다.


일반상대성이론 증명한 개기일식 관측

코로나가 광구보다 뜨겁다는 것을 알게 된 것도 1869년 개기일식 때의 관측 결과에서 비롯됐다. 당시 미국 다트머스대의 찰스 영 교수와 해군 장교 윌리엄 해크니스는 개기일식을 관측해서 코로나의 분광스펙트럼을 얻었다. 그런데 분석 결과에서 530.3nm(나노미터, 10억 분의 1m)의 방출선이 확인됐다. 각각의 원소는 포함하고 있는 전자에 고유한 에너지준위를 가지고 있어서 에너지준위 차이에 해당하는 파장의 빛을 흡수하거나 방출한다. 530.3nm의 파장은 당시까지 알려지지 않았던 분광선으로, 사람들은 코로나에 새로운 원소가 존재하는 것으로 생각하고 원소의 이름을 코로늄(Coronium)이라고 붙였다.

그로부터 70년 뒤, 코로늄은 새로운 원소가 아니라 전자를 13개나 잃어버린 철 원자라는 것이 밝혀졌다. 하지만 문제가 생겼다. 철 원자가 전자를 13개 잃어버리기 위해서는 100만℃가 넘는 매우 높은 온도가 필요하다. 즉, 온도가 약 4230~5730°C인 태양표면의 광구보다 태양 바깥에 형성된 코로나의 온도가 수백 배 이상 높은 납득하기 어려운 상황이다. 코로늄의 수수께끼는 풀렸지만 광구보다 뜨거운 코로나라는 새로운 수수께끼가 등장한 것이다.

1919년 발생한 개기일식에서도 역사적인 관측이 이뤄졌다. 1915년에 발표된 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증한 것이다. 일반상대성이론에 따르면, 중력에 의해 빛도 휜다. 이론이 맞다면 태양 주위의 별빛도 휘어져 위치가 달라 보여야 한다. 영국의 천문학자 아서 에딩턴은 1919년 개기일식 중에 태양 주위의 별 위치를 관측해서 일반상대성이론이 맞다는 것을 최초로 실험적으로 증명했다.


‘수수께끼’ 코로나 정밀관측 준비하는 천문학자들

현대에도 개기일식은 많은 연구자들에게 소중한 연구 기회다. 미국 기상연구센터 고고도관측소의 필립저지와 폴 브라이언스 연구원팀은 코로나의 자기장 구조를 연구할 예정이다. 원자에 묶여 있는 전자의 에너지준위는 자기장의 세기에 따라 조금씩 달라지기 때문에 분광선의 파장도 조금씩 달라진다. 이 분광선 파장의 변화를 이용하면 역으로 자기장의 세기를 측정할 수 있다.

연구팀은 특히 코로나에서 온 적외선 영역의 빛을 집중 분석할 계획이다. 적외선은 가시광선보다 파장이 길고 에너지는 작다. 즉, 같은 세기의 자기장에 의해 생기는 에너지 변화가 가시광선보다 상대적으로 크다. 결과적으로 분광선의 파장 변화가 더 크게 나타나서 자기장을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.

미국 하버드대 응용물리학과의 제나 샘라 연구원팀과 남서연구소의 아미르 카스피 연구원팀은 비행
기를 이용하는 방법을 택했다. 제트비행기를 이용해 달의 본그림자를 쫓아가면 더 긴 시간동안 개기일식을 관측할 수 있고, 성층권에서 관측하기 때문에 대기의 영향을 줄일 수 있다. 샘라 연구원팀은 기상연구센터의 관측용 제트비행기를 이용해 15km 상공에서 1.4~4μm 파장의 적외선을 관측해 코로나의 자기장을 측정할 예정이다. 성층권에서는 적외선을 흡수하는 물 분자가 거의 없기 때문에 정밀한 관측을 할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 이번 관측을 위해 분광망원경과 영상안정시스템으로 이뤄진 적외선분광기를 새로 만들었다.

아미르 카스피 연구원팀은 미국항공우주국(NASA) 존슨우주센터의 연구용 비행기인 WB-57 두 대를 이용할 계획이다. 각 비행기에 초당 30장의 영상을 고속으로 촬영할 수 있는 장치를 설치해 한 대는 적외선, 다른 한 대는 가시광선에서 코로나를 관측한다. 이를 이용해 코로나에서 일반 관측으로는 보기 어려운 아주 빠른 운동이 존재하는지 알아볼 예정이다.

미국 하와이대 천문학연구소의 샤디아 하발 교수팀은 지상의 여러 곳에서 마치 계주 경기를 하듯 연이어서 관측하는 방법을 택했다. 개기일식 경로를 따라 약 1000km에 걸쳐 5군데에서 관측을 해, 약 30분에 걸친 코로나의 변화를 보려는 계획이다.

연구팀은 530.3nm 파장을 비롯해 코로나의 다양한 온도에서 방출되는 여러 분광선의 필터 영상과 분광 스펙트럼을 관측할 예정이다. 이를 통해 코로나의 온도 구조와 변화를 살펴보고 코로나의 가열과정을 연구한다.

 

대기권 이온층 연구자들도 ‘스탠바이’

개기일식을 활용해 지구대기를 연구하는 연구자들도 있다. 미국 매사추세츠공대(MIT) 헤이스텍 관측소의 필 에릭슨 부소장팀은 개기일식 기간 중에 나타나는 지구 대기권의 이온층 변화를 연구할 예정이다.

지구의 중간권과 열권에 해당하는 이온층은 태양의 자외선에 의해 이온화된 원자 및 분자와 자유전자들이 밀집된 층이다. 이온층에서는 수천 km를 이동하며 이온층을 교란시키는 ‘이동하는 이온층 교란
(traveling ionospheric disturbance)’이라는 현상이 나타나는데, 이는 주로 대기의 중량파(gravity wave)에 의해 발생한다. 중량파는 마치 파도처럼 대기가 중력과 부력에 의해 진동하며 퍼져 나가는 것을 말한다. 주로 대류권에서 기단 사이의 전선이나 산맥을 넘어가는 기류에서 발생해 성층권과 중간권으로 전파되지만, 일식에 의해서도 발생할 수 있다. 개기일식이 일어나면 달의 본그림자 안에서는 태양빛이 차단돼 기온이 떨어지고 하강기류가 생기면서 기압은 높아진다. 이 현상은 시속 1700km 이상의 빠른 속도로 이동하는 달의 본그림자를 따라 대기 중에 전파되면서 중량파를 일으킨다.

한국 최초의 우주태양망원경 개발 시험무대

필자가 속한 한국천문연구원 태양우주환경그룹도 이번 개기일식 동안 원정관측을 할 예정이다. 우리
팀은 미국 NASA와 함께 국제우주정거장(ISS)에 설치할 코로나그래프를 개발할 계획이다. 개발할 코로나그래프는 태양 코로나의 빛 중에서 코로나 전자의 온도와 속도에 따라 밝기 변화를 보이는400nm 파장의 빛 세기를 측정한다. 이로부터 코로나의 온도와 속도 분포를 추정하고 태양풍의 가속 과정을 연구하는 것이 목표다. 태양풍은 태양에서부터 초속 400~800km의 속력으로 방출되는 물질의 흐름으로, 태양계를 가득 채워 ‘태양권’을 형성한다. 태양풍이 알려지기 시작한 것은 1900년대 초부터지만 태양풍이 가속되는 과정에 대해서는 아직 모르는 부분이 많다.
우리 연구팀은 NASA와 개발할 코로나그래프와 유사한 관측기를 미리 만들었는데, 이번 일식에서 지상 시험 관측을 할 계획이다(위 사진). 코로나그래프에는 태양을 가리는 차폐기가 있지만 개기일식 중에는 달이 차폐기의 역할을 하기 때문에 차폐기가 필요없다. 대신 국제우주정거장(ISS)에 설치할 코로나그래프보다 좀 더 안쪽의 밝은 코로나를 관측할 예정이다. NASA에서도 조금 다르지만 유사한 관측기를 만들어 시험 관측을 한다.

개기일식 시험 관측 다음 단계로 2019년에는 NASA와 함께 코로나그래프를 만들어 성층권에서 기구를 이용해 시험 관측을 할 계획이다. 기구를 이용해 성층권 상부까지 올라가면 하늘의 밝기가 지상의 1000분의 1로 떨어져 코로나를 관측할 수 있다. 모든 일이 순조롭게 진행되면 코로나그래프는 2021년에 국제우주정거장에 설치되고, 이는 우리나라가 만든 최초의 우주태양망원경이 될 것이다.


봉수찬_scbong@kasi.re.kr
서울대 지구환경과학부에서 박사학위를 받은 뒤 한국천문연구원에서 박사후연구원과 선임연구원으로 근무했다. 현재 한국천문연구원에서 책임연구원으로 재직 중이다. 태양 전파폭발과 플레어, CME 등 다양한 태양활동 현상을 연구하고 있다.