지구 방사선 방벽, 생각만큼 완벽하지 않았다: 일본 아라세 위성 관측

10년 동안 과학자들은 지구 방사선대 안에 보이지 않는 벽이 있다고 생각해 왔어요. 이제 일본의 아라세(Arase) 위성이 그 벽이 뚫리는 모습을 관측했습니다.

2024년 5월의 극심한 태양 폭풍 때, 그 영역에서 에너지가 아주 높은 전자의 수가 5,000배 넘게 치솟았습니다. 기존의 그림에는 큰 문제예요.

무슨 일이 있었나?

2024년 5월, 태양에서 잇따라 일어난 폭발이 자기를 띤 플라스마 수십억 톤을 지구 쪽으로 내뿜었습니다. 그 결과 NOAA(미국 기상·해양 기관) 척도의 최고 등급인 G5 폭풍이 발생했어요. 태양풍은 초속 1,200킬로미터에 이르렀습니다.

나고야대학의 우주물리학자 미요시 요시즈미 교수가 이끄는 팀이 아라세의 데이터를 분석했습니다. 「Geophysical Research Letters」에 실린 연구에 따르면, 약 3메가전자볼트의 전자가 5,000배 넘게 급증했습니다.

증가는 단계적으로 일어났어요. 먼저 에너지가 낮은 전자가 늘었고, 약 12시간 뒤 더 높은 에너지의 전자가 나타났으며, 다시 하루쯤 지나 3메가전자볼트를 넘는 전자도 늘었습니다.

왜 중요할까?

밴앨런대는 지구 자기장에 갇힌 입자들이 모인 두 영역입니다. 안쪽은 대부분 양성자이고, 바깥쪽에는 에너지가 높은 전자가 많아요.

연구팀의 해석은 이렇습니다. 폭풍이 플라스마권(보통 특정 파동을 억제하는 지구 주변 영역)에서 밀도 높고 차가운 플라스마를 빼냈습니다. 그러자 코러스파라는 파동이 전자에 에너지를 전달해 거의 빛의 속도까지 가속할 수 있었어요. 입자 분포가 경계 근처에서 정점을 찍었는데, 이는 먼 곳에서 옮겨 온 것이 아니라 현장에서 가속됐음을 가리킵니다.

왜 신경 써야 할까요? 이런 입자는 위성의 차폐를 뚫고 민감한 전자장비를 망가뜨릴 수 있습니다. 해당 영역을 지나는 우주비행사의 방사선 위험도 높아져요.

기존 가설은 뭐였지?

2014년 NASA의 밴앨런 탐사선은 지구 중심에서 지구 반지름 약 3배 거리에서 선명한 안쪽 경계를 발견했습니다. 에너지가 가장 높은 전자는 이 경계를 거의 넘지 못했어요. 물리학자 대니얼 베이커는 이를 유리벽에 비유했습니다.

한 가지 설명은 특정 파동이 전자를 대기 쪽으로 밀어내는 데다, 안쪽으로의 이동은 너무 느려 경계를 넘지 못한다는 것이었습니다.

앞으로는?

아라세는 2024년 10월까지 초상대론적 전자가 서서히 줄어드는 것을 기록했고, 그때 또 다른 폭풍이 조건을 다시 바꿔 놓았습니다. 이 연구는 극단적인 사건 하나를 다룹니다. 더 약한 폭풍도 같은 가속을 일으킬 수 있는지는 아직 열린 질문이에요.