태양 1

태양은 우리에게 익숙하기 때문에 사람들은 태양의 존재를 당연하게 여긴다. 피부가 탈까 봐 걱정한 적은 있지만 태양이 우주의 본질을 우리에게 알려주는 주 정보원이라고는 생각하지 않는다. 사실 집에서 가정용 망원경을 쓰던, 천문대에서 고급 장비를 쓰던 태양은 장비에 상관없이 가장 흥미로우며 연구하는 보람이 있는 천체이다.

태양은 항성이다. 다시 말해 핵융합에서 힘을 얻는 뜨거운 기체로 된 공이다. 핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵이 되는 과정이다. 태양 내부에서 일어난 핵융합이 발산하는 에너지가 태양계 전체에 막대한 영향을 미치며 지구도 영향권에 포함된다. 

태양은 엄청난 기세로 에너지를 만들어내는데 매 초마다 1메가톤급 핵폭탄이 92억 개 터지고 있다고 보면 된다. 이 에너지는 태양의 연료를 소모하면서 발생한다. 만약 태양이 불타는 석탄으로 이루어져 있다면 4,600년 만에 완전히 다 타버릴 것이다. 하지만 지구에 있는 화석으로 보건대 태양은 최소 30억 년 이상 빛나고 있었으며 천문학자들은 확실히 그보다는 더 오래되었다고 생각한다. 태양은 대략 46억 년 전부터 존재했을 것으로 추정되며 오늘날까지 강하게 타오르고 있다.

오직 핵융합만이 태양의 강한 에너지의 방출을 감당할 수 있으며 앞으로 수십억 년 동안 핵융합이 일어날 것이다. 핵 근처의 어마어마한 압력과 1,600만 도에 육박하는 높은 온도 때문에 수소 원자가 헬륨으로 융합한다. 이 과정에서 어마어마한 양의 에너지가 방출되며 태양의 에너지원이 된다.

1초마다 핵 부근에 존재하는 7억 톤의 수소가 헬륨으로 바뀌는데 이 중 500만 톤이 사라지면서 에너지로 전환된다. 인간이 지구에서 핵융합을 통해 에너지를 만들 수 있다면, 대기오염과 재생 불가능한 자원 소비를 포함해 화석연료와 관련된 모든 문제가 사라진다. 하지만 수십 년의 연구에도 불구하고, 인공 태양은 자연적인 태양을 완벽하게 재현하지 못하고 있다. 

만약 태양이 다른 성분 없이 뜨거운 가스로만 이루어져 있다면, 무엇이 이들을 한데 뭉쳐 있게 할까? 태양도 담배 연기로 만든 도넛처럼 날아가야 하는 게 아닐까? 답은 중력이다. 태양이 바람에 날려 가지 않는 이유는 중력 때문이다. 태양은 지구의 33만 배에 달하는 질량이 아주 큰 천체이며 강한 중력이 뜨거운 가스들을 모아준다. 가스의 온도가 높을수록, 더 강한 중력이 작용할수록, 압력이 높아진다. 가스의 압력은 마치 바퀴에 바람을 넣는 공기펌프처럼 태양을 부풀린다. 중력은 끌어당기고 압력은 밀어낸다. 물체의 형태가 변하지 않는다면, 두 힘이 반대 방향에서 같은 세기로 작용하고 있다는 뜻이다. 태양의 경우 지름이 139만 2,000킬로미터이며 지구 지름의 109배이다.

태양이 둥근 이유도 거의 비슷하다. 중력은 모든 방향에서 중심을 향해 작용하며 압력 역시 모든 방향에서 바깥쪽으로 작용한다. 만약 태양이 더 빠르게 돈다면 원심력으로 인해 적도가 약간 더 불룩해지며 극은 상대적으로 납작해질 것이다. 하지만 태양은 아주 천천히 자전하고 있으며 자전 속도는 위도에 따라 다르다. 적도에서는 거의 25일에 한 번씩 자전하며 극에 가까워질수록 느리게 돈다. 따라서 배가 튀어나오는 현상은 보이지 않는다.

광구는 태양 표면을 말한다. 하늘에 떠 있는 밝은 태양을 흘끗 쳐다보면 광구를 볼 수 있다. 태양의 사진에서 흑점을 관측할 때도 마찬가지로 광구의 사진이나 실제 모습을 보는 것이다. 그리고 앞에서 말한 태양의 지름은 이 광구의 크기를 의미한다. 광구의 온도는 대략 5,500도이다. 

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광구 바깥쪽에 존재하는 중요한 두 층은 다음과 같다.

채층: 개기일식이 일어나면 달의 어두운 테두리 밖에서 붉고 가는 고리 모양으로 보이는 얇은 층이다. 채층의 두께는 약 1,600킬로미터로 얇은 편이지만, 온도는 1만 도까지 올라간다. 온도가 낮은 채층에서 100배가량 더 뜨거운 코로나로 열의 전이가 일어나는 얇은 층을 전이 영역이라고 한다. 실제로 보이는 곳은 아니다.

코로나: 가장 넓으며 밀도가 가장 낮은 층이다. 개기일식 동안 가려진 태양의 면에서 뿜어져 나오는 진주색 빛이 코로나다. 코로나의 모양은 매일 다르며 개기일식 때마다 달라진다. 코로나는 크기가 일정하지 않다. 광구에서 멀어질수록 얇아지며 측정 기구에 따라서 크기가 달라진다. 장비의 민감도가 좋을수록 더 넓은 코로나를 볼 수 있다. 코로나는 아주 얇으며 몹시 뜨겁다. 온도는 100만 도에 이르며, 더 뜨거운 지역도 있다. 코로나는 밀도가 아주 낮으며 전하를 띠는데 태양의 자기장이 코로나의 형태를 결정한다. 태양의 자기력선이 우주로 열려 있는 곳에서 코로나의 가스는 얇고 눈에 거의 보이지 않는다. 코로나는 태양풍의 형태로 쉽게 우주로 빠져나간다. 반면에 자기력선이 끊어지지 않는 지역에서는 코로나 가스는 한 지점에 갇히게 된다. 이 구역은 다른 곳보다 밀도가 높고, 더 밝다. 광구에서 코로나로 뻗어 나온 고리에 가스가 갇히면 주변보다 온도가 낮아지는데 이 고리를 홍염이라고 하며 개기일식이 진행될 동안 태양의 테두리에서 볼 수 있다.

태양 내부는 광구 아래의 모든 지역을 통틀어서 부르는 말이다. 태양 내부는 크게 세 가지로 나뉜다.

핵: 핵은 태양의 중심에서 광구까지 25퍼센트를 차지한다. 고온 고압의 핵에서 일어나는 핵융합에서 태양에너지가 발생한다. 온도와 압력은 태양의 중심에서 극에 달하며 중심에서 멀어질수록 조금씩 낮아지기 때문에 핵의 가장 깊은 곳에서 가장 많은 태양 에너지가 발생하고 표면에 가까워질수록 발생하는 에너지가 발생하고 표면에 가까워질수록 발생하는 에너지가 줄어든다. 태양 에너지는 감마선과 중성미자의 형태로 발생한다. 중성미자는 신기한 아원자입자이다. 감마선은 원자 사이를 이리저리 튀어 다니면서 아주 천천히 태양 바깥으로 향한다. 반면에 중성미자는 태양 내부를 바로 통과해 우주로 향한다. 태양 내부에서 멀어질수록 온도는 낮아진다.