우주방사선
Space Radiation
우주방사선
우주방사선
Cosmic Radiation
우주방사선이란 태양과 태양계 외부에서 생성되어 지구로 향하는 고에너지의 1차 우주방사선과 이들과 대기를 구성하는 원자들이 충돌하여 생성되어 지표에 도달하는 2차 우주방사선을 통칭한다.
우주방사선의 존재는 1912년에 오스트리아의 과학자 Victor Francis Hess가 수행한 열기구 실험에서 전위계를 이용한 이온화율을 통해 처음 알려지게 되었다. 열기구 실험을 통해 기구의 고도가 높아질수록 이온화율이 증가한다는 것을 발견하였으며, 이것이 방사선의 기원이 되었고, 그 기원이 우주에서 왔다는 것을 암시하였다.
우주방사선은 크게 태양계 밖에서 기인한 은하 우주선(Galactic cosmic rays)과 태양 활동에 기인하는 태양 우주선(Solar cosmic rays)으로 구분한다. 은하 우주선(Galactic Cosmic Rays, GCR)은 태양계 외부에서 초신성잔해(supernova remnants, SNRs), 활동성 은하핵(Active Galactic Nucle, AGN), 중성자별(neutron star) 등에 의해 발생된다고 알려져 있다. 이들은 주로 하전입자(charged particle)로 구성된 고에너지 입자이다. 이러한 하전 입자로 구성된 은하 우주선은 지구로 유입되면서 우주 관측 장비와 전자 장비들과 상호작용하며 안정적인 작동을 방해하고, 우주선(Spacecraft) 승무원의 건강에 영향을 주어 장기 임무에 위험을 초래할 수 있다.
오랜 기간에 걸친 우주선의 관측을 통해 은하 우주선의 플럭스(Flux)가 태양권(Heliosphere)내의 자기장에 의해서 변화되는 것이 확인되었다. 태양권 안으로 진입하는 은하 우주선은 태양권 내의 자기장과 태양활동에 의해 영향을 받는다. 태양 주기의 태양 활동 극대기에 가까워질수록 태양 플레어(flare), 코로나 질량 방출(Corona Mass Ejection, CME)과 같은 태양 활동이 많아지며, 태양 흑점수도 증가하게 되고, 태양권 내의 자기장도 강해져서 자기장의 영향을 받아 지구로 유입되는 은하 우주선의 플럭스의 양이 감소하게 된다. 태양 활동 극소기에 가까워질수록 태양 활동이 작아지면서 태양권 내의 자기장에 의한 차폐 효과가 약해져서 지구로 유입되는 은하 우주선의 양이 많아지게 된다. 이처럼 은하 우주선의 플럭스는 태양 활동에 따른 11년 주기의 흑점수 변화와 서로 반대되는 경향성을 가진다.
한편 태양 우주선(Solar cosmic rays)은 태양 플레어(Solar flare) 또는 코로나 질량 방출(Coronal Mass Ejections; CMEs) 등과 같은 태양에서 높은 에너지를 가진 입자들이 갑작스럽게 방출하는 현상에 기인한다. 또한 태양폭발에 의해서 태양 자기장이 태양권으로 분출되면서 발생하는 태양풍의 영향을 받아 우주선의 플럭스가 갑자기 증가하는 현상과 우주선의 플럭스가 갑자기 감소하는 현상 등 우주선 중성자 관측기에서 검출되는 일시적인 변화 현상도 있다.
우주선을 구성하는 고에너지 입자들이 지구 대기권에 들어오는 과정에서 지구 자기장의 영향을 받게 된다. 저에너지 1차 우주선은 지구 자기장에 의해서 차폐되어 대기로 들어올 수 없게 된다. 지구 극지방의 경우에는 지구 자기장에 의한 차단 효과가 적어서 저에너지 은하 우주선도 입사되어 지구 대기권과 충돌하여 2차 우주선을 생성하기도 한다. 지구로 유입되는 1차 우주선에 대한 지구 자기장의 차단 효과를 나타내는 지표로 차단 견고도(Cut-off rigidity)를 사용한다. 이 차단 효과를 에너지와 비슷한 다른 단위인 GV를 사용한다. 지구로 유입되는 입자들의 에너지가 차단 견고도보다 높을 때만 입자들이 지구 대기로 들어올 수 있게 된다.
1차 우주선은 위의 과정을 거쳐 지구로 유입되면서 지구의 대기를 구성하는 산소, 질소, 아르곤 등과 부딪히고 반응한다. 이 과정에서 수백 MeV 이상의 에너지를 가진 파이온, 뮤온, 전자, 양성자, 중성자 그리고 광자 등의 2차 우주선 입자들이 만들어진다. 결과적으로, 이러한 2차 우주선 입자들이 방사선원으로 우리 일상에 영향을 미치게 된다.
우주방사선의 존재는 1912년에 오스트리아의 과학자 Victor Francis Hess가 수행한 열기구 실험에서 전위계를 이용한 이온화율을 통해 처음 알려지게 되었다. 열기구 실험을 통해 기구의 고도가 높아질수록 이온화율이 증가한다는 것을 발견하였으며, 이것이 방사선의 기원이 되었고, 그 기원이 우주에서 왔다는 것을 암시하였다.
우주방사선은 크게 태양계 밖에서 기인한 은하 우주선(Galactic cosmic rays)과 태양 활동에 기인하는 태양 우주선(Solar cosmic rays)으로 구분한다. 은하 우주선(Galactic Cosmic Rays, GCR)은 태양계 외부에서 초신성잔해(supernova remnants, SNRs), 활동성 은하핵(Active Galactic Nucle, AGN), 중성자별(neutron star) 등에 의해 발생된다고 알려져 있다. 이들은 주로 하전입자(charged particle)로 구성된 고에너지 입자이다. 이러한 하전 입자로 구성된 은하 우주선은 지구로 유입되면서 우주 관측 장비와 전자 장비들과 상호작용하며 안정적인 작동을 방해하고, 우주선(Spacecraft) 승무원의 건강에 영향을 주어 장기 임무에 위험을 초래할 수 있다.
오랜 기간에 걸친 우주선의 관측을 통해 은하 우주선의 플럭스(Flux)가 태양권(Heliosphere)내의 자기장에 의해서 변화되는 것이 확인되었다. 태양권 안으로 진입하는 은하 우주선은 태양권 내의 자기장과 태양활동에 의해 영향을 받는다. 태양 주기의 태양 활동 극대기에 가까워질수록 태양 플레어(flare), 코로나 질량 방출(Corona Mass Ejection, CME)과 같은 태양 활동이 많아지며, 태양 흑점수도 증가하게 되고, 태양권 내의 자기장도 강해져서 자기장의 영향을 받아 지구로 유입되는 은하 우주선의 플럭스의 양이 감소하게 된다. 태양 활동 극소기에 가까워질수록 태양 활동이 작아지면서 태양권 내의 자기장에 의한 차폐 효과가 약해져서 지구로 유입되는 은하 우주선의 양이 많아지게 된다. 이처럼 은하 우주선의 플럭스는 태양 활동에 따른 11년 주기의 흑점수 변화와 서로 반대되는 경향성을 가진다.
한편 태양 우주선(Solar cosmic rays)은 태양 플레어(Solar flare) 또는 코로나 질량 방출(Coronal Mass Ejections; CMEs) 등과 같은 태양에서 높은 에너지를 가진 입자들이 갑작스럽게 방출하는 현상에 기인한다. 또한 태양폭발에 의해서 태양 자기장이 태양권으로 분출되면서 발생하는 태양풍의 영향을 받아 우주선의 플럭스가 갑자기 증가하는 현상과 우주선의 플럭스가 갑자기 감소하는 현상 등 우주선 중성자 관측기에서 검출되는 일시적인 변화 현상도 있다.
우주선을 구성하는 고에너지 입자들이 지구 대기권에 들어오는 과정에서 지구 자기장의 영향을 받게 된다. 저에너지 1차 우주선은 지구 자기장에 의해서 차폐되어 대기로 들어올 수 없게 된다. 지구 극지방의 경우에는 지구 자기장에 의한 차단 효과가 적어서 저에너지 은하 우주선도 입사되어 지구 대기권과 충돌하여 2차 우주선을 생성하기도 한다. 지구로 유입되는 1차 우주선에 대한 지구 자기장의 차단 효과를 나타내는 지표로 차단 견고도(Cut-off rigidity)를 사용한다. 이 차단 효과를 에너지와 비슷한 다른 단위인 GV를 사용한다. 지구로 유입되는 입자들의 에너지가 차단 견고도보다 높을 때만 입자들이 지구 대기로 들어올 수 있게 된다.
1차 우주선은 위의 과정을 거쳐 지구로 유입되면서 지구의 대기를 구성하는 산소, 질소, 아르곤 등과 부딪히고 반응한다. 이 과정에서 수백 MeV 이상의 에너지를 가진 파이온, 뮤온, 전자, 양성자, 중성자 그리고 광자 등의 2차 우주선 입자들이 만들어진다. 결과적으로, 이러한 2차 우주선 입자들이 방사선원으로 우리 일상에 영향을 미치게 된다.