태양활동과 해왕성 대기변화 사이의 연관관계

Credits Science NASA, ESA, Erandi Chavez (UC Berkeley), Imke de Pater (UC Berkeley)

사진 설명 : 이 사진은 1994년부터 2020년까지 허블우주망원경이 촬영한 해왕성 대기의 변화양상이다. 

해왕성의 구름을 처음 촬영한 것은 1989년 보이저 2호에 의해서였다. 

보이저 2호가 보내온 사진에 담긴 선형으로 늘어선 밝은 구름은 마치 지구의 새털구름 같았다. 
해왕성의 구름은 메탄으로 이뤄진 해왕성 대기 위에 떠 있었으며 모든 태양빛을 반사하면서 하얀색을 띠고 있었다. 

 

 

 

천문학자들이 복잡한 자기장 활동의 증가 또는 감소가 만들어내는 11년 주기의 태양활동과 해왕성 구름의 변화 사이에 연관관계가 있다는 것을 밝혀냈다. 
이번 발견은 허블우주망원경과 하와이 켁 천문대(the W. M. Keck Observatory), 캘리포니아 릭 천문대(the Lick Observatory)의 30년 간 누적된 해와성 관측 자료를 기반으로 이뤄졌다. 

해왕성과 태양활동과의 연관성이 놀라운 이유는 해왕성이 태양에서 가장 멀리 떨어져 있는 행성이어서 
이 행성이 받는 태양빛의 강도가 지구 대비 0.1%밖에 되지 않기 때문이다. 

해왕성 전역의 구름 활동은 한 계절당 40년의 길이를 가지고 있는 해왕성의 4계절 때문이 아니라 태양활동에 의해 영향을 받는 것 같다. 

 

2023년 8월 현재, 해왕성에는 구름이 거의 없고 남극 지역 일부에만 구름이 떠 있는 상황이다. 

캘리포니아 버클리 대학의 천문학자들이 이끄는 연구팀은 해왕성 중위도 지역에서 일반적으로 볼 수 있는 많은 구름이 2019년부터 사라지기 시작했다는 것을 발견했다. 

버클리 대학 천문학과 명예교수이자 이번 연구의 수석 저자인 임케 드 파터(Imke de Pater)는 해왕성에서 구름이 빨리 없어진다는 사실에 놀랐다고 말하며 고작 몇 개월 사이에 구름 활동이 급격하게 감소하는 모습을 목격했다고 말했다. 

이번 연구를 이끈 하바드-스미스소니언 천체물리센터의 에란디 차베즈(Erandi Chavez)의 설명은 다음과 같다.
"그로부터 4년이 지났습니다만 아직도 해왕성의 구름은 평소 수준을 회복하지 못한 상태입니다. 
 이건 참 흥미롭기도 하고, 예상 밖의 현상이기도 합니다.

 해왕성에 구름이 별로 없던 이전 시기의 현상이 이처럼 드라마틱하지도 않았고,

 이렇게 오래 유지되지도 않았기 때문에 더더욱 그렇죠."

해왕성에서 나타나는 변화를 살펴보기 위해 차베즈와 연구팀은 켁 천문대의 2002년부터 2022년 사이 관측 데이터와
1994년 이래 축적되기 시작한 허블우주망원경의 관측 데이터,  그리고 2018년과 2019년 사이 릭 천문대에서 얻은 데이터를 분석했다. 
최근 켁 천문대의 자료는 트와일라잇 존 프로그램(Twilight Zone program)과 OPAL 프로그램(허블 외행성 대기 지속관측 프로그램, Hubble's Outer Planet Atmospheres Legacy program)의 일환으로 촬영된 사진들로 보충되었다. 

이 사진들을 통해 해왕성 구름에 나타나는 계절적 변화와 태양주기 간에 흥미로운 패턴이 있다는 것이 밝혀졌다. 

 

태양 주기란 태양 자기장이 전복되면서 마치 실뭉치처럼 자기장이 더더욱 뒤엉키는 매 11년 단위의 활동을 말한다. 
태양 활동이 증가하면 태양 흑점이 증가하고 태양 플레어 활동도 증가한다.  
시간이 지날수록 태양의 격렬한 활동은 최고치를 향해가다가 마침내 자기장이 찢기면서 극점이 뒤바뀌게 된다. 
이후 태양은 다음 주기가 시작될 때까지 점차 안정되어 같다. 

태양이 극단적인 기후에 시달릴 때 강력한 자외선복사가 태양계 전역으로 퍼져 나간다. 
연구팀은 태양 주기가 절정에 달하고 2년 뒤 해왕성의 구름이 증가한다는 것을 발견했다. 
연구팀은 또한 구름의 증가와 태양빛의 반사로 인해 해왕성의 밝기가 강해지는 양의 되먹임고리가 있다는 것도 발견했다. 

드 파테르의 설명은 다음과 같다.
"데이터를 통해 우리는 해왕성 구름 양과 태양 활동간에 연관관계가 있다는 강력한 증거를 얻게 되었죠. 
 이번 발견은 태양의 자외선 복사가 강력해지면

 해왕성 구름에서 광화학 반응을 촉발시킬 것이라는 이론을 뒷받침해주고 있습니다."
 
태양활동과 해왕성의 구름 간에 연관관계가 있다는 것을 알아내기 위해 사용한 데이터 양은 29년에 걸쳐 해왕성 구름이 변화를 보이는 2.5회의 주기에 해당하는 양이다. 
이 기간 중 해왕성의 반사율은 2002년에 증가되었고 2007년에 잦아들었다. 
이후 해왕성은 2015년에 다시 밝아졌고 2020년에 가장 많이 어두워졌는데 
이때는 해왕성 대기에서 구름이 가장 많이 사라졌던 때였다. 

즉 해왕성 밝기의 변화는 태양 활동이 증가되거나 감소됨에 따라 해왕성 대기의 구름이 나타나거나 사라지기 때문에 발생하는 것이었다. 

 

Credits Science NASA, ESA, LASP, Erandi Chavez (UC Berkeley), Imke de Pater (UC Berkeley)

사진설명 : 이 표는 11년 주기의 태양활동과 해왕성 대기의 변화양상을 비교한 것이다. 
                  아래 표에서 세로축은 태양에서 복사되는 자외선 수치를 나타낸 것이다. 
                  태양활동의 절정에 도달했을 때 해왕성에 확실히 구름이 많아진 모습을 볼 수 있다. 

 

 

 

하지만 태양 활동이 절정에 달할 때와 해왕성에 구름이 가장 많아질 때 사이에는 2년의 간극이 있었다. 
이는 광화학작용에 의한 화학적 변화가 해왕성의 상층 대기에서 발생한 이후 구름이 만들어질 때까지 시간이 걸리기 때문이다. 

이번 논문의 공동저자인 켁천문대에 재직 중인 천문학자 까를로스 알바레즈(Carlos Alvarez)의 소감은 다음과 같다.
"지구에 앉아 40억 킬로미터나 떨어진 세계의 기후를 연구한다는 건 정말 환상적인 일입니다.
 기술과 관측장비의 진보는 해왕성 대기 모델을 정립할 수 있게 해 줄 것이고 
 이는 해왕성의 기후와 태양주기 간의 연관관계를 이해하는데 핵심이 될 겁니다."

하지만 이를 위해서는 추가 연구가 필요하다. 
예를 들어 자외선의 증가가 구름과 연무를 만들어낼 수도 있지만 이는 또한 구름과 연무를 짙게 만들어 해왕성의 전반적인 밝기를 감소시킬 수도 있다. 

해왕성 대기 깊은 곳에서 발생하여 떠오르는 폭풍도 해왕성을 뒤덮는 구름에 영향을 미친다. 
하지만 이 작용은 구름을 만들어내는 광화학작용과는 전혀 상관없는 작용이다. 
따라서 태양주기와의 연관성을 주장하려면 좀더 세분화된 연구가 필요한 것이다. 

현재 해왕성에 구름이 거의 사라진 상태가 얼마나 지속될지에 대해서도 지속적인 관측이 필요하다. 
연구팀은 해왕성의 구름 활동에 대한 추적을 계속하고 있다. 

드 파테르의 설명은 다음과 같다.
"우리는 가장 최근에 획득한 켁 천문대의 사진에서 더 많은 구름을 목격했습니다. 
 이 사진이 촬영될 당시 제임스웹 우주망원경도 해왕성을 관측했죠.
 이번에 목격된 구름은 특히 북위도의 높은 고도에서 발견되었는데 
 이는 지난 2년 간 이곳에 태양 자외선 복사가 이곳에 증가했다는 관측결과로부터 예측된 결과와 부합하는 결과였습니다."
 
허블우주망원경과 제임스웹 우주망원경, 켁 천문대와 릭 천문대의 데이터를 함께 활용하여 
해왕성의 역동적인 변화를 만들어내는 물리적, 화학적 작용에 대한 연구가 계속 진행될 것이다.
이러한 연구는 해왕성 뿐 아니라 외계행성을 이해하는데도 많은 도움이 될 것이다. 
왜냐하면 태양계 바깥에 있는 외계행성 중에는 해왕성과 유사한 행성들이 많다고 추정되기 때문이다. 

이번 연구 결과는 이카루스 지에 개재되었다. 

출처 : 허블사이트 2023년 8월 17일 발표 뉴스