국내 위성 관측으로 슈퍼 태양폭풍이 

저궤도 우주방사선 환경을 바꾸는 과정을 최초로 관측하다!

- 위성이 실제 받는 방사선 에너지 변화 확인

 - 위성 보호와 미래 유인 우주탐사 활용 기대

  한국천문연구원(원장 박장현, 이하 ‘천문연’) 연구진이 우리나라 차세대소형위성 2호(NEXTSat-2)에 탑재된 우주방사선 관측장비 ‘레오도스(LEO-DOS)’를 활용해 슈퍼 태양폭풍* 기간 동안 인공위성이 실제로 받는 방사선량이 어떻게 변화했는지 분석했다. 그 결과 태양에서 방출된 고에너지 입자가 평소보다 훨씬 깊이 지구 근처 영역까지 침투했고, 방사선 환경을 단순히 증가시키는 것이 아니라 다양한 입자 성분을 복합적으로 재배치한다는 사실을 확인했다. 

* 슈퍼 태양폭풍: 2024년 5월 10일부터 12일까지(세계시 기준) 발생한 태양폭풍은 2003년 11월 이후 가장 강력한 우주폭풍으로 알려져 있으며, 연구자들 사이에서 슈퍼태양폭풍(Super Solar Storm)으로 불린다.

  천문연 곽영실 박사 연구팀은 지구 저궤도 우주공간에서 인공위성이 실제로 받는 흡수선량(방사선 에너지가 물질에 전달되는 양)을 측정하는 장비인 레오도스가 슈퍼 태양폭풍 기간과 그 전후에 관측한 자료를 분석했다. 기존 우주방사선 연구는 입자의 개수를 측정해 왔는데, 입자 수만으로는 인공위성 장비나 인체에 실제로 얼마나 많은 에너지가 전달되는지 직접 알기 어렵다. 반면 흡수선량은 방사선이 물질에 남기는 실제 에너지량을 의미하므로 우주방사선 위험을 보다 직접적으로 평가할 수 있다. 

  연구진은 레오도스가 측정한 흡수선량 자료와 입자 개수 자료를 결합해 관측된 방사선 변화의 원인이 양성자인지 전자인지 구분했다. 또한 위성 위치정보를 활용해 태양 고에너지 입자, 외부 방사선대 전자, 내부 방사선대 양성자를 각각 분리해 분석했다. 2024년 5월 태양폭풍 전, 태양폭풍 중, 회복기, 확장된 회복기 동안 시간과 위치에 따른 저궤도 우주방사선 환경 변화를 확인했다. 

  그 결과, 2024년 5월 11일 태양 고에너지 입자에 의한 흡수선량이 급격히 증가해 강력한 태양폭풍 사건이 저궤도 위성 환경에 직접적인 방사선 영향을 줄 수 있음을 확인했다. 또한 태양에서 방출된 고에너지 양성자가 평소보다 훨씬 깊은 지구 근처 영역까지 침투한 것으로 확인됐다. 태양폭풍 이후에는 전자에 의한 흡수선량 증가가 지속적으로 관측되었는데, 이는 태양폭풍이 종료된 이후에도 저궤도 우주방사선 환경이 즉시 정상 상태로 회복되지 않고 상당 기간 위성에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다. 반면 내부 방사선대의 양성자에 의한 흡수선량은 태양폭풍 직후 크게 감소했다. 고위도 지역의 방사선 환경 변화도 확인했다. 고위도 평균 흡수선량은 태양폭풍 전 대비 약 15배 증가해 강한 태양폭풍 동안 극지방을 통과하는 저궤도 위성이 훨씬 높은 방사선 환경에 노출될 수 있음을 확인했다. 

  천문연 곽영실 기초천문연구본부장은 “이번 연구의 큰 의의는 국내 위성과 국내 기술로 개발한 우주방사선 관측장비를 활용해, 인공위성이 실제로 받는 방사선 에너지 변화를 직접 측정했다는 점이다”며 “특히 단순히 우주방사선 입자의 수만 증가한 현상을 관측한 것이 아니라, 방사선이 실제로 위성 부품과 인체에 전달할 수 있는 에너지의 변화를 분석함으로써 우주방사선 위험을 보다 현실적으로 평가할 수 있는 기반을 마련했다”고 전했다. 

  본 연구 논문의 제1저자인 천문연 정종일 박사는 “강한 태양폭풍 기간 동안 지구 주변 우주방사선 환경 변화를 이해하는 중요한 기회를 제공했으며, 특히 태양활동과 지자기 교란에 따라 방사선 위험이 증가하는 지역과 궤도를 파악함으로써 우주방사선 환경 모델 검증과 위성 전자장비 보호, 방사선 차폐 설계, 임무 운영 전략 수립 등에 도움이 되는 기초자료가 될 것”이라며 “향후 장기간 축적되는 우주방사선 관측자료를 활용해 우주방사선 환경 변화를 더욱 잘 이해할 수 있고 우주기상 위험을 더욱 정밀하게 평가할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 

  한편 본 연구는 지구물리학 연구 저널(Geophysical Research Letters) 5월 28일자에 게재됐다. 

<대표 그림 및 참고 설명> 

그림 1. 2024년 5월 태양폭풍 전후에 레오도스가 관측한 저궤도 흡수선량의 전 지구 분포. (a)는 폭풍 전 기간 (5월 1–9일), (b)는 폭풍 기간 (5월 10–17일), (c)는 회복기 (5월 22–31일), (d)는 확장 회복기 (6월 1–7일)의 흡수선량 분포를 나타낸다. 폭풍 전에는 남대서양 이상지역을 중심으로 흡수선량이 높게 나타났으나, 폭풍 기간에는 고위도 영역에서 흡수선량이 크게 증가했다. 이는 태양에서 방출된 고에너지 입자와 지구 방사선대의 변화가 저궤도 위성의 방사선 환경에 영향을 주었음을 보여준다. 폭풍 이후에는 전체적인 흡수선량이 감소했지만, 일부 고위도 지역에서는 증가한 방사선 환경이 일정 기간 지속됐다. 

그림 2. 차세대소형위성 2호에 부착된 레오도스

○ 레오도스(LEO-DOS, Low-Earth Orbit Space Radiation Dosimeter)

차세대소형위성 2호에 탑재된 레오도스는 우주에서 날아오는 방사선을 전기를 띤 입자(하전입자)와 중성자로 구분하여 방사선량을 측정하는 장비다.  2023년 5월 25일, 누리호에 실려 우주로 향한 레오도스는 한국천문연구원의 남욱원 박사 연구팀이 국내 독자적으로 개발한 탑재체다. 발사 후 약 한 달간의 점검을 거쳐 같은 해 6월 22일부터 본격적인 관측에 나섰으며, 당초 목표였던 2년을 넘어 2년 9개월 동안 임무를 수행했다. 임무기간 동안 우주비행사나 위성의 우주방사선 피폭 수준을 예측할 수 있는 관측자료를 확보했다.