베피콜롬보 근접 관측으로 수성의 고에너지 입자 차단 현상 확인

국제 공동연구진이 수성 탐사선 베피콜롬보의 근접 관측을 통해 태양에서 방출된 고에너지 양성자와 전자가 수성 자기권에서 서로 다른 감소 양상을 보인다는 사실을 밝혀냈다. 연구진은 양성자의 감소가 행성에 의한 차단 현상과 관련이 있으며, 전자의 급격한 감소는 자기장 구조의 변화와 넓은 손실원뿔의 형성에 따른 것으로 분석했다.

헬싱키대 물리학과 등이 참여한 국제 공동연구진은 2026년 9월 8일 국제학술지 '네이처 천문학(Nature Astronomy)'에 발표한 논문에서 베피콜롬보의 관측 자료와 입자 궤적 모델을 분석한 결과를 공개했다. 연구진은 수성 행성궤도선(MPO)에 탑재된 태양 강도 X선 및 입자 분광기(SIXS)의 입자 검출 자료를 활용했다.

베피콜롬보는 2024년 9월 4일 네 번째 수성 근접통과 과정에서 수성 표면으로부터 약 165km 상공까지 접근했다. 당시 수성은 태양에서 방출된 고에너지 입자에 다량 노출돼 있었으며, 태양과의 거리는 약 0.315천문단위(AU)였다. 관측 장비 SIXS의 입자 검출기(SIXS-P)는 전자와 양성자의 에너지, 이동 방향 및 시간에 따른 입자량 변화를 기록했다.

분석 결과, 에너지가 1메가전자볼트(MeV) 이상인 양성자는 수성의 약한 자기장에 의해 이동 경로가 충분히 휘어지지 않아 행성 표면에 충돌하면서 검출되지 않는 '행성 그림자 효과'를 보였다. 이는 행성이 입자의 이동 경로를 가로막아 특정 방향에서 검출되는 입자량이 감소하는 현상이다. 자기장에 의해 입자의 경로가 바뀌면서 발생하는 차단도 가능하지만, 연구진은 1MeV 이상의 양성자에서는 행성 표면에 의한 차단이 지배적인 것으로 분석했다.

수성의 자기장은 지구의 약 1% 수준으로, 자기권의 크기도 상대적으로 작다. 연구진에 따르면 자기장 세기가 200나노테슬라(nT)일 때 에너지가 2MeV인 양성자의 회전반경은 약 1,000km에 달한다. 회전반경은 하전입자가 자기장 속에서 회전할 때 형성하는 궤도의 반지름을 의미한다. 이처럼 회전반경이 큰 양성자는 수성 자기권 내부에 포획되기 어렵고, 일부는 행성 표면에 충돌한다.

연구진은 Toffoletto–Hill 자기장 모델을 활용해 양성자의 이동 경로를 분석했다. 그 결과, 수성을 향하는 검출기에서는 행성 표면과 충돌해 검출기에 도달할 수 없는 양성자 궤적이 주로 나타났다. 반면 다른 방향을 향하는 검출기에서는 행성에 가로막히지 않고 도달할 수 있는 궤적이 확인됐다. 이러한 모델 분석 결과는 실제 관측에서 나타난 방향별 양성자 감소 현상과 대체로 일치했다.

반면 전자는 양성자보다 회전반경이 훨씬 작고 자기장 속에서 반대 방향으로 회전하기 때문에 동일한 방식으로 차단되지 않았다. 연구진은 전자의 급격한 감소가 자기장 구조의 변화와 넓은 손실원뿔의 형성에 관련된 것으로 해석했다. 손실원뿔은 입자가 자기장에 의해 반사돼 되돌아오지 못하고 행성 표면으로 이동할 수 있는 방향의 범위를 뜻한다.

관측 자료를 분석한 결과, 수성에 가장 가까이 접근한 시점 부근에서 북반구의 손실원뿔 반각은 최대 약 60도에 달했다. 남반구에서는 2024년 9월 4일 21시 38분부터 21시 50분까지 손실원뿔이 90도에 이르렀다. 이는 해당 조건에서 광범위한 방향으로 이동하는 전자가 표면으로 강하할 수 있음을 의미한다.

그러나 손실원뿔이 넓어진 기간에도 전자 검출량은 상당 시간 일정하게 유지됐다. 연구진은 자기장 재연결로 열린 자기력선을 통해 태양에서 온 고에너지 전자가 지속적으로 공급되면서 표면으로 강하하는 입자를 보충했을 가능성을 제시했다. 이러한 관측은 근접통과 과정의 상당 부분에서 전자의 지속적인 표면 강하가 일어났을 가능성을 뒷받침한다.

또한 관측된 전자의 에너지 분포에서는 약 200~400킬로전자볼트(keV) 부근에서 증가하는 특징이 나타났다. 연구진은 이 현상이 수성 자기권 내부의 휘슬러파에 의해 태양 기원 전자가 추가로 가속됐을 가능성을 뒷받침한다고 설명했다. 휘슬러파는 자기화된 플라스마에서 발생하는 전자기파로, 전자와 상호작용해 에너지를 변화시킬 수 있다. 다만 이러한 에너지 증가 현상은 전자의 국지적 가속에 관한 근거이며, 지속적인 표면 강하를 직접 입증하는 자료는 아니다.

연구진은 관측 자료와 입자 궤적 모델을 비교하는 과정에서 일부 한계도 확인했다. Toffoletto–Hill 자기장 모델은 수성 자기권의 새벽 방향 경계 부근에서 실제 자기장 구조를 충분히 재현하지 못해 일부 양성자의 검출량 회복 시점을 정확하게 예측하지 못했다. 또한 양성자가 전자 검출 채널에 영향을 미치는 문제로 일부 에너지 자료의 해석에도 제약이 있었다.

이번 연구는 모항성에 가까우면서 자기장이 약한 암석 행성에서 고에너지 입자가 지속적으로 표면에 도달할 수 있음을 시사한다. 연구진은 이러한 입자 유입이 장기적으로 행성 표면의 암석과 먼지로 이루어진 표토층의 광물 구조를 변화시키고, 행성 주변의 희박한 대기층인 외기권의 변동에도 영향을 미칠 가능성이 있다고 설명했다.

이러한 연구 결과는 수성뿐 아니라 모항성에 가까운 외계 암석 행성의 표면 환경을 이해하는 데도 활용될 수 있다. 다만 다른 행성에 실제로 어느 정도의 입자가 도달하는지는 각 행성의 자기장과 주변 환경에 따라 달라질 수 있어 추가적인 연구가 필요하다.