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2013년 9월 13일 금요일

태양계 이야기 172 - 성간 우주를 향한 여행을 시작한 여행자 보이저 1 호


(성간 우주 (interstellar space) 로 진입하는 보이저 1 호의 상상도  The Space Between: This artist's concept shows the Voyager 1 spacecraft entering the space between stars. Interstellar space is dominated by plasma, ionized gas (illustrated here as brownish haze), that was thrown off by giant stars millions of years ago. (Credit: NASA/JPL-Caltech)


 보이저 1 호가 태양계의 가장 자리에 들어섰다는 내용의 포스트는 이미 여러번 작성한 바 있습니다. 그 내용들은 이전 포스트를 참조해 주시기 바랍니다. 


태양계의 끝을 향해가는 보이저 1 호 : http://jjy0501.blogspot.kr/2012/07/73-1.html
미지의 영역으로 다가선 보이저 1 호 : http://jjy0501.blogspot.kr/2012/12/123-1.html
마침내 성간 우주로 진입하는 보이저 1호 : http://jjy0501.blogspot.kr/2013/06/153-interstellar-space-1.html


 마지막에 언급했던 바에 의하면 보이저 1 호는 태양 자기장 (sun's magnetic field lines ) 과 성간 자기장 (interstellar magnetic field lines ) 이 연결되는 태양계의 외곽지역인 마그네틱 하이웨이 (Magnetic Highway)를 지나고 있었습니다. 이전 포스트에서 설명했듯이 지난 1 년 이상 기간 동안 보이저 1 호의 센서들은 태양에서 오는 에너지 입자들은 감소하고 70 MeV 의 고에너지 입자 (멀리서 폭발한 초신성에서 기원한 입자들로 항성과 항성 사이의 공간에 있는 성간 물질) 이 급격히 증가하는 것을 발견했습니다.



(2012 년 8월 이후 저 멀리 성간 우주에서 날아오는 고에너지 입자가 급격히 증가.  This plot shows a dramatic increase in the rate of cosmic ray particle detection by the Voyager 1 spacecraft.  Credit : NASA  )  



(역시 2012 년 8월 이후 태양계의 행성간 공간에서 측정되던 입자가 급격히 감소 Readings from LA1 instrument on Voyager 1 consisting of collisions of greater than 0.5 MeV/nuc nuclei, principally protons, and is sensitive to low-energy phenomena in interplanetary space.  Credit : NASA  ) 



(태양계와 성간 공간의 경계인 마그네틱 하이웨이를 통과하는 개념도  This artist's concept shows how NASA's Voyager 1 spacecraft is bathed in solar wind from the southern hemisphere flowing northward. Image credit: NASA/JPL-Caltec ) 



 따라서 이전에 언급했듯이 이미 보이저 1 호가 성간 우주로 진입했다는 의견도 있었고 아직 전이 지대를 지나는 중이라는 의견도 있었지만 실질적으로 '여기까지 태양계 입니다. 안녕히 가세요' 라는 표지판이 있을 리도 만무하기 때문에 솔직히 태양계의 끝 (여기서 정의하는 태양계는 태양에서 나오는 입자에 의해 영향을 받는 우주의 지역인 Heliosheath 까지임. 여기를 벋어나면 성간풍이 지배하는 공간. 만약 태양계의 경계를 오르트 구름으로 정의하면 아직 보이저 1 호는 태양계 안에 있는 셈) 이라고 해도 수 AU 에 달할 수 있습니다. 현재 1 년에 3.6 AU (평균) 이동하는 보이저 1 호가 여기를 지나는데 상당한 시간이 필요할 수 있다고 이전에 설명드렸죠.


 아무튼 태양에서 도달하는 입자의 수가 현저히 감소한 지 1 년이 되었는데도 나사는 태양권을 벗어났다는 발표를 뒤로 미뤘습니다. 전이 지대를 지나는 중이라 갑자기 행성간 공간 입자의 밀도가 갑자기 증가하지 말란 법이 없기 때문이죠. 지난 8월 이후 나사와 여러 연관 과학자들은 진짜로 보이저 1 호가 태양권일 벗어나 성간 공간에 돌입했는지 판단하기 위해 데이터를 꾸준하게 분석했습니다.   


 2013 년 9월 12일 과학 저널 Science 에 돈 거네트 (Don Gurnett) 가 이끄는 아이오와 대학의 연구팀이 보이저가 사실상 성간 공간에 진입했다는 내용의 논문을 발표했습니다. 이 때를 기해 나사 역시 공식 보도자료를 내고 보이저 1 호가 사실상 성간 공간으로 진입한 첫번째 우주선이 되었다고 발표했습니다. 이는 1977 년 발사 후 36 년 만이며 성간 공간으로 진입한 첫번째 인공물이기도 합니다. 그 거리는 190 억 km 에 달합니다. 



(공식 영상. 36 년전 자신들이 발사한 우주선이 무사히 태양권을 벗어나는 걸 직접 보게된 Ed Stone 을 비롯한 보이저 과학자들의 심정도 감개무량할 것으로 보입니다.) 


 사실 나사와 합동 연구팀이 이를 밝혀내는 것은 그렇게 간단한 일은 아니었다고 합니다. 보이저 1 호는 이미 성간 우주로 진입했는지 확인해 줄 플라즈마 센서가 작동되지 않는 상태였습니다. 따라서 과학자들은 보이저 1 호의 플라즈마 입자 환경을 조사하기 위해 다른 방법이 필요했습니다. 이것이 가능했던 것은 태양으로 부터의 뜻밖의 선물이었습니다. 


 2012 년 3월, 태양에서 발생한 코로나 물질 방출 (CME) - 태양에서 수십억 톤 이상의 고에너지 입자가 폭발적으로 분출되는 현상 - 이 13 개월의 여행을 거쳐 보이저에 도달했는데 이 때 보이저의 플라즈마 웨이브 장치 (plasma wave instrument ) 가 작동해서 마치 바이올린 줄을 튕기듯이 플라즈마가 진동하는 것을 확인했습니다. (위의 동영상 참조) 


 이 진동의 높낮이를 측정한 과학자들은 보이저 1호가 태양권의 가장자리에 있을 때 보다 40 배나 높은 플라즈마 환경에 노출되었음을 확인했습니다. 이와 같은 플라즈마 입자의 밀도는 이전의 이론에 의하면 성간 공간에서 가능한 것이었기 때문에 과학자들은 이제 보이저가 성간 공간에 들어섰다고 판단했습니다. 물론 아직은 CME 를 비롯해서 태양에서 날라오는 물질이 아주 없는 상황은 아닙니다. 그것마저 없는 상태에 도달하려면 얼마나 시간이 걸릴 진 알기 힘들지만 말이죠. 


 보이저 1호는 현재 지구에서 190 억 km, 보이저 2 호는 150 억 km 떨어진 지점을 지나고 있습니다. 이들의 출력은 매우 떨어져 23 W 정도까지 감소했지만 (이 정도면 형광등 수준) 꾸준히 나사와 교신 중에 있습니다. 이들이 보내는 신호는 지구에 도달하면 10 억 분의 1 와트 수준까지 감소하지만 나사의 34 미터 그리고 70 미터 Deep Space Network station 의 안테나로 수신이 가능합니다. 데이터 전송 속도는 초당 160 비트 정도입니다. 보이저 1호의 신호가 지구 까지 도달하는데는 이제 17 시간 정도가 필요합니다.  



(현재 보이저 1 호의 위치를 천구 상에 표시한 것, 페가수스 자리와 백조 자리 사이 존재. 클릭하면 원본  This is an artist's impression of Voyager 1's position on the sky when observed by the Very Long Baseline Array (VLBA) on Feb. 21, 2013, at which point -- according to NASA's Jet Propulsion Laboratory -- Voyager was already outside of our solar system. The actual image from the data (enlarged section) is 0.5 arcseconds across. The radio signal as shown is a mere 1 milliarcsecond across. Credit: Alexandra Angelich, NRAO/AUI/NSF ) 


 아무튼 태양계의 여행자이던 보이저 1 호가 이제는 먼 심연의 우주로 진입한 셈입니다. 앞으로 보이저 1 호는 1 년에 평균 3.6 AU 씩 태양에서 멀어지게 됩니다. 이대로 진입할 경우 4 만년 정도 후에는 글리제 445 ( 혹은 AC +79 3888 로도 알려짐) 에 1.6 광년 정도로 근접할 것으로 생각됩니다. 물론 다른 수백만년 후엔 다른 행성계에 진입할 지도 모르는 일이지만 우주의 항성들이 워낙 먼 거리에 흩어져 있어 사실 그럴 가능성은 낮아 보입니다. 


 앞으로 보이저 1 호는 성간 우주를 정처 없이 여행하면서 우리에게 보이저 1 호가 아니면 보내줄 수 없는 데이터를 보내줄 것으로 생각됩니다. 다만 2020 년 이후로는 사실상 거의 작동하는 장비가 없을 것이고 2025 년에서 2035 년 사이에는 사실상 전원이 셧다운 되어 조용히 수명을 마감할 것입니다. 


 참고 


Journal Reference:

  1. D. A. Gurnett, W. S Kurth, L. F. Burlaga, and N. F. Ness. In Situ Observations of Interstellar Plasma With Voyager 1.Science, 2013; DOI: 10.1126/science.1241681

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/09/130912135507.htm

http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2013-277

http://phys.org/news/2013-09-voyager-spacecraft-interstellar-space.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1


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