보이저 1호(Voyager 1)가 2004년 12월 마침내 행성 간 공간의 가장자리에서 ‘말단충격(termination shock)’을 가로지르면서 우주공간 물리학자들이 오랫동안 찾아왔던 비정상적인 우주선(宇宙線, cosmic ray)의 근원을 발견할 수 있을 것이라고 예측했다. 태양계에서 가장 활발한 입자 방사에너지 가운데에서 우주선은 태양계의 가장자리의 경계선으로 시간당 백만 마일의 속도를 내는 태양풍이 갑작스럽게 느려지는 말단충격파면에서 생성된다고 생각되어 왔다. 보이저호의 자료에서 이러한 미스터리는 지난 20년 간의 예측이 틀렸다는 것을 보여주고 있다.

지난 2월 17일자 ‘Geophysical Research Letters’에 보고된 사우스웨스트 연구소(Southwest Research Institute)의 데이비드 맥코마스(David McComas) 박사와 보스턴 대학의 네이탄 쉬와드런(Nathan Schwadron) 박사의 논문에서 제기된 새로운 이론은 왜 보이저호가 말단충격을 지나면서 비정상적인 우주선의 에너지 활성이 나타나지 않았는가를 설명하고 있다. 충격의 형태는 이전에 그다지 중요하지 않다고 생각되었던 반면에 새로운 이론은 어떻게 이러한 충격이 형성되는가는 입자 활성화에서 중요한 요소라고 주장하고 있다.

맥코마스와 쉬와드런 박사는 "비정상적인 우주선의 활성화 과정에서 말단충격 형태의 역할을 이해하는 것은 우주공간에서 입자의 방사선의 활성화에 대한 충격형태의 영향을 이해하는데 중요한 디딤돌이 될 것"이라고 말했다. 충격은 미래에 화성이나 달을 향한 인간의 여행과정에서 우주공간에서 우주인에게 엄청난 위험을 일으키는 위험한 방사선입자의 많은 형태를 활성화시킨다. 사우스웨스트 연구소의 우주과학 및 엔지니어링 분과의 수석 디렉터인 맥코마스 박사는 "모델을 통해서 보면 우리는 말단충격파면에서 비정상적인 우주선의 에너지 스텍트럼의 근원을 볼 수 있다. 우리는 보이저호가 말단충격파 면에 도달했을 때 무엇을 발견할 것인지 알고 있었다. 하지만 막상 이곳에 도달한 후에 발견한 것은 우리가 예측한 것이 아니었다. 그리고 이것은 확실히 비정상적인 우주선의 근원이 아니었다"고 말했다.

연구자들은 어디에서 말단충격을 발견할 수 있을지 모르고 있었다. 하지만 그들은 자기장의 급속한 변화와 플라즈마의 감속 등 여러 가지 징후를 발견할 것이라고 생각했다. 맥코마스 박사는 "이것은 마치 평원을 걷고 있다 보면 어디가 이 들판의 가장자리인지 모르는 것과 비슷한 상황이다. 마침내 울타리를 발견하게 되면 그 경계를 알 수 있게 된다"고 말했다. 말단충격 형태는 그다지 중요하다고 생각되지 않았다. 그래서 대부분 연구자들은 그 형태를 원형으로 태양풍이 소용돌이쳐 나가는 자기장에서 단 한 점을 뚫고 나가는 것으로 생각해왔다. 맥코마스와 쉬와드런 박사는 비정상적인 우주선의 가속화가 좀더 현실적인 말단충격의 형태를 통해 쉽게 설명될 수 있다고 주장했다. 쉬와드런 박사는 "실제로 말단충격은 태양계가 은하계를 통해 이동하면서 좀더 납작해진 계란모양을 하고 있기 때문에 말단충격의 형태가 원형이 될 수 없다. 말단충격면의 끝이 평평한 것은 시간이 가속화 과정에 의존하게 된다" 말했다.

비정상적인 우주선의 발생에서는 말단충격과의 연결이 필요하다(이 연결지점은 자기장의 선에 의해 뚫리는 곳이다). 그리고 활성입자는 이러한 연결지점 근처에서 약 1년 동안 머물 수 있다. 이 새로운 모델을 이용하면 단순한 순환은 입자들이 연결지점에서 약 300일 정도 머물 수 있다. 그리고 이것은 좀더 많은 적절한 모델의 증거가 된다.

보이저 1호는 이 말단충격 지점을 지날 때 어떤 활성화된 비정상적인 우주선을 발견하지 못했다. 맥코마스 박사는 "우리가 관측한 입자 당 2,000만 엘렉트론 볼트의 헬륨은 예측한 것의 10%보다 적은 것이다. 유사하게 우리는 예측했던 입자당 400만 엘렉트론 볼트의 산소의 5%에 불과한 양을 관측했다. 5~10%의 차이는 문제가 되지 않는다. 하지만 10~20%의 요소는 문제가 된다"고 말했다. 새로운 모델에 따르면, 입자들은 말단충격 지역에서 가속화된다. 하지만 보이저호가 통과한 말단충격 지역의 돌출부에서는 그렇지 않았다. 맥코마스 박사는 "입자들은 자기장의 선이 돌출된 곳까지 최고조로 활성화되도록 가속력을 얻지 못한다. 그리고 입자들은 말단충격의 옆을 따라 다시 되돌아가게 된다. 이것은 활성화된 비정상적인 우주선의 근원이 그 측면에 존재하고 있다는 것을 의미한다"고 말했다.

보이저 2호도 태양계를 지나 외부로 움직였으며 이동하는 동안 단일 측정을 하게 된다. 앞으로 2년 안에 보이저 2호는 돌출부에서 훨씬 뒤쪽의 말단충격지점을 지나게 될 것으로 예측되고 있다. 쉬와드런 교수는 "우리의 설명에 따르면 보이저 2호는 활성입자의 흐름에서 거대한 점프를 목격하게 될 것이다. 그리고 말단충격면을 지나게 되면서 좀더 많은 비정상적인 ? 裡玲굼?스텍트럼을 알려줄 것"이라고 말했다.

2008년에 발사 예정인 항성간 경계탐사선(Interstellar Boundary Explorer, IBEX)은 처음으로 말단충격면을 둘러싼 상호작용에 대한 전체적인 이미지를 얻을 수 있게 될 것이다. 연구자들은 이 말단충격면의 돌출부와 측면 그리고 그 꼬리부분의 상호작용도 관측하게 될 것이다. 보이저 1호와 2호의 자료를 종합하여 연구자들은 태양계와 은하계 사이의 상호작용을 처음으로 이해할 수 있게 될 것이다. 맥코마스 박사는 "IBEX 없이 말단충격면에서 무슨 일이 일어나는가를 이해하는데 거대한 진보를 이루었다. 우리는 실제로 지금까지 미스터리가 잘못된 것이었음을 알려준다고 생각한다"고 말했다. 사우스웨스트 연구소는 나사를 대신해서 IBEX 프로젝트를 관리하게 된다. 그리고 고다드 우주항공센터는 이 프로그램을 관리하게 된다.