천왕성의 42년 계절 (기울기, 파커 탐사선, 태양풍)

천왕성의 자전축은 98도 기울어져 있어 한 계절이 무려 42년간 지속됩니다. 저는 처음 이 사실을 접했을 때, 한 세대에 가까운 시간 동안 해가 뜨지 않거나 지지 않는 풍경을 상상하며 우리가 지구에서 누리는 24시간 주기가 얼마나 특별한 축복인지 새삼 깨달았습니다. 동시에 시속 69만 km라는 가늠조차 어려운 속도로 태양에 접근하는 파커 탐사선의 이야기는, 인류가 그리스 신화 속 이카로스의 꿈을 과학으로 구현해내고 있다는 경외감을 불러일으켰습니다.

98도 기울어진 행성, 42년간 이어지는 여름과 겨울

지구의 자전축은 23.5도 기울어져 있고, 이 덕분에 우리는 3개월마다 사계절을 경험합니다. 반면 천왕성은 거의 옆으로 누운 채 태양 주위를 공전하기 때문에, 북극이 42년간 태양을 정면으로 바라보다가 다시 42년간 완전한 어둠 속에 잠깁니다. 이건 단순히 극지방만의 이야기가 아닙니다. 천왕성 전체가 이 극단적인 계절 변화를 겪으며, 한쪽 반구는 끝없는 낮을, 반대쪽은 끝없는 밤을 맞이합니다.

과학자들은 이 비정상적인 기울기가 태양계 형성 초기, 약 45억 년 전 지구 크기의 천체가 천왕성을 강타한 거대 충돌의 결과라고 추정합니다. 충돌의 여파는 천왕성의 내부 구조까지 바꿔놓았습니다. 목성이나 토성 같은 다른 거대 가스 행성들은 내부에서 엄청난 열을 뿜어내지만, 천왕성은 거의 열을 방출하지 않습니다. 이 때문에 천왕성은 '죽은 열의 행성'이라는 별명을 얻었고, 태양에서 더 멀리 떨어진 해왕성보다도 표면 온도가 낮습니다.

그런데 흥미로운 건, 42년 주기로 계절이 전환되는 시점마다 천왕성에서 거대한 폭풍이 관측된다는 점입니다. 2007년 허블 우주망원경은 천왕성 표면에서 시속 900km에 달하는 폭풍을 포착했습니다. 이는 지구의 가장 강력한 허리케인보다 다섯 배 이상 빠른 속도입니다. 내부열이 거의 없는 천왕성에서 이런 폭풍이 발생한다는 사실은, 계절 변화만으로도 행성 규모의 기상 현상이 만들어질 수 있음을 보여줍니다.

시속 69만 km, 태양을 향해 돌진하는 파커 탐사선

인류가 만든 가장 빠른 물체는 파커 태양 탐사선입니다. 시속 약 69만 2,000km라는 속도는 빛의 속도의 0.064배에 해당하며, 이 속도로 움직이면 서울에서 부산까지 1초도 안 걸립니다. 저는 이 수치를 처음 봤을 때 솔직히 실감이 나지 않았는데, 지구에서 달까지의 거리를 30분 만에 주파할 수 있다고 생각하니 비로소 그 엄청난 속도가 와닿았습니다.

파커 탐사선은 2018년 8월 12일 발사된 이후 금성의 중력을 이용한 '중력 어시스트' 기법으로 궤도를 좁히고 속도를 높여왔습니다. 금성을 스쳐 지나갈 때마다 탐사선은 금성의 공전 에너지 일부를 흡수해 더 빠르게, 태양에 더 가까이 접근합니다. 이런 방식으로 파커는 태양으로부터 약 690만 km까지 접근했고, 이는 태양 반지름의 약 9.86배 거리입니다. 비교하자면 지구는 태양으로부터 1억 5,000만 km 떨어져 있으니, 파커는 지구보다 20배 이상 태양에 가까이 다가간 셈입니다.

이렇게 극단적인 속도가 필요한 이유는 태양의 강력한 중력 때문입니다. 태양에 가까워질수록 중력이 탐사선을 끌어당기는 힘이 기하급수적으로 증가하므로, 궤도를 유지하고 임무를 수행하려면 엄청난 속도가 필수입니다. 제 생각에는, 이건 마치 폭포를 거슬러 올라가는 연어처럼 자연의 거대한 힘에 맞서는 인간 기술의 극한을 보여주는 것 같습니다.

11cm 방패 하나로 태양의 불꽃을 견디는 기술

파커 탐사선이 태양의 맹렬한 열을 견딜 수 있는 비결은 두께 11.4cm의 탄소 복합체 열차폐막입니다. 이 방패는 섭씨 약 1,370도에 달하는 태양의 고에너지 입자를 막아내며, 탐사선 내부 장비는 약 30도 수준으로 유지됩니다. 앞면은 불지옥이지만 뒷면은 에어컨을 튼 사무실 수준이라는 뜻입니다. 저는 고작 11cm 두께의 방패 하나로 이런 온도 차이를 만들어낸다는 게 처음엔 믿기지 않았는데, 진공 상태인 우주에서는 열 전달이 주로 복사로만 일어나기 때문에 가능하다는 걸 알고 나서야 납득이 됐습니다.

파커는 또한 정밀한 자동 자세 제어 시스템을 갖추고 있습니다. 열차폐막이 항상 태양 쪽을 정확히 향하도록 자세를 유지해야 하는데, 조금이라도 각도가 틀어지면 측면의 민감한 장비들이 즉시 손상될 수 있습니다. 이를 위해 파커는 자이로스코프와 스타 트래커를 이용해 실시간으로 자세를 보정하며, 냉각 시스템, 전면 반사 코팅, 자기장 간섭 차단 실드 등 다층 방어 체계로 무장했습니다.

2021년 12월 14일, NASA는 파커 탐사선이 사상 최초로 태양 대기권 내부, 즉 코로나에 진입했다고 발표했습니다. 태양 표면으로부터 약 889만 km 떨어진 코로나 시작점까지 접근한 파커는 '자기 스위치백'이라는 현상을 발견했습니다. 태양 자기장이 갑자기 방향을 튕기는 순간들이 태양풍 가속의 주요 원인 중 하나라는 사실이 밝혀진 겁니다. 또한 태양 표면에서 발생하는 미세 플레어나 코로나 질량 방출 같은 작은 폭발들이 코로나를 100만 도 이상으로 가열하는 주된 메커니즘일 가능성도 확인됐습니다.

천왕성의 극단적인 계절과 파커 탐사선의 태양 탐사는 언뜻 별개의 이야기처럼 보이지만, 둘 다 우주의 극한 환경을 보여준다는 점에서 연결됩니다. 천왕성은 내부열이 거의 없어 '차가운 극단'을 대표하고, 파커가 탐사하는 태양 코로나는 '뜨거운 극단'을 대표합니다. 제 경험상, 이렇게 대조적인 두 주제를 함께 살펴보면 태양계의 다양성이 더 입체적으로 느껴집니다. 파커가 수집한 태양풍 데이터는 앞으로 태양 폭풍 예측 정확도를 크게 높여, 지구의 통신 위성과 전력망을 보호하는 실용적 가치로 이어질 것입니다. 우주 탐사는 단순한 호기심을 넘어, 우리 일상을 지키는 기술로 돌아옵니다.

--- 참고: https://livewiki.com/ko/content/planet-summer-winter-fastest-artificial-object-light-speed