활모양충격파(Bow Shock)는 초음속으로 흐르는 유체나 플라스마가 장애물과 부딪힐 때 그 전방에 형성되는 곡선 형태의 충격파를 가리키는 과학 용어이다. 이 용어는 주로 천체물리학과 공기역학 두 분야에서 사용된다.
정의 및 발생 원리
활모양충격파는 매질의 흐름 속도가 초음속(또는 초자기음속)에서 아음속으로 급격히 감소하는 경계면에서 발생한다. 바로 앞에 장애물이 있는 고속 흐름은 장애물 표면에서 저속으로 감속되어야 하는데, 이 과정에서 충격파가 유입 방향을 따라 곡선 형태로 형성된다. 그 모양이 배의 뱃머리 앞에 생기는 활파(bow wave)와 유사하여 '활모양충격파'라는 이름이 붙었다.
천체물리학에서의 활모양충격파
천체물리학 분야에서 활모양충격파는 주로 태양풍이 행성간 공간에서 행성의 자기권이나 이온층과 부딪힐 때 발생하는 현상으로 설명된다. 초음속으로 비행하는 비행기 앞부분에 생기는 충격파와 유사한 원리로 발생되며, 다음과 같은 특징이 있다.
비행기의 경우 매질이 중성 기체이기 때문에 음속이 충격파 발생의 기준이 되지만, 태양풍은 플라스마 상태이기 때문에 세 종류의 자기 음향파의 속도(고속, 알펜파, 저속)가 그 기준이 된다. 보통 태양풍은 고속 자기음향파의 속도보다 빠르게 움직이므로, 지구를 포함한 대부분의 행성 주변에는 고속 자기음향파 충격이 형성된다.
활모양충격파를 지나고 난 태양풍은 속도가 줄어들 뿐 아니라 밀도와 온도가 크게 증가한다. 또한 행성간 자기장의 세기도 활모양충격파를 지난 후 크게 증가한다. 태양풍은 밀도가 매우 낮기 때문에(보통 1cc 당 10개 미만의 입자) 입자 간의 충돌이 거의 발생하지 않는데, 이 경우 열중성자화(thermalization) 현상을 설명하기 어렵다는 문제가 있다. 현재까지 알려진 바로는 충격파 경계에서 발생하는 플라스마 파동과 플라스마 입자의 상호 작용에 의해 열중성자화가 일어나는 것으로 보고 있다.
태양권에서의 활모양충격파 존재 여부
태양이 성간 매질 내부에서 이동할 때에도 활모양충격파를 형성한다는 추측이 존재했다. 성간 매질이 태양을 향해 초음속으로 이동한다면 발생할 수 있는 현상으로, 성간매질이 아음속이 되는 지점이 활모양충격파 지점이 된다.
미국 항공 우주국의 로버트 네미로프(Robert Nemiroff)와 제리 본넬(Jerry Bonnell)은 태양계의 활모양충격파가 태양으로부터 대략 230천문단위에 위치할 것이라고 계산했다. 태양에 대한 성간 매질의 상대 속도는 탐사선 율리시스를 통해 26.3km/s로 계산되었으나, 2012년 성간 경계 탐사 위성(IBEX)에서 수집된 데이터를 분석한 결과 이보다 느린 23.2km/s임이 밝혀졌다. 이에 따라 태양계에는 활모양충격파가 존재하지 않는 것으로 추정된다.
공기역학에서의 활모양충격파
공기역학 분야에서 활모양충격파는 둔한 물체가 초음속 기류에 노출될 때 물체 전방에 형성되는 분리 충격파(detached shock) 또는 정상 충격파를 의미한다. 총알이 음속보다 빠르게 날아갈 때 탄두 앞에 활 모양의 충격파가 형성되며, 초음속 비행기의 앞부분에서도 동일한 현상이 발생한다.
활모양충격파의 관측 사례
활모양충격파는 땅꾼자리 제타, BZ Cam, IRS8, HD77581, LL Ori 등 다양한 천체 주변에서 관측된 바 있다. 죽어가는 별(예: 헬릭스 성운)의 외곽에서도 22개의 활모양충격파 구조가 포착된 사례가 보고되었다. 이러한 관측을 통해 별의 항성풍이 주변 성간 물질과 상호작용하는 과정을 연구할 수 있다.
참고 문헌
- Kivelson MG, Russell CT. 1995. Introduction to Space Physics. Cambridge University Press. (p. 129)
- Cravens, TE. 1997. Physics of Solar System Plasmas. Cambridge University Press. (p. 142)
- 한국천문학회 편《천문학용어집》162쪽
