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코로나는 왜 태양 표면보다 뜨거운가?

고해상도 이미지 통해 미스터리 해결 단서 찾아

미국 뉴저지 기술연구소(NJIT)와 독일 막스플랑크 태양계 연구소, NASA 마셜우주비행센터 등 여러 나라 과학자가 참여한 국제연구팀은 태양 물리학의 핵심 미스터리 하나를 풀 수 있는 실마리를 찾아내는데 성공했다.

태양 에너지가 어떻게 위치에 따라 태양의 상층 대기 온도를 태양 표면보다 더 높은 화씨 100만도(섭씨 약 55만 5500도) 이상으로 올릴 수 있느냐는 수수께끼가 그것이다.

연구팀은 NJIT의 빅 베어 태양관측소(BBSO)에서 촬영한 새로운 이미지들을 통해 가능성 있는 메커니즘에서 획기적인 알갱이 모양의 세부 사항들을 밝혀냈다. 이 메커니즘은 태양의 상층 대기에서 간헐천같이 코로나로 분출되는 바늘 모양의 침상체(spicules)로 알려진 자화 플라스마 제트가 핵심이다. <관련 동영상>

태양의 침상체(spicules)를 여러 층에서 본 모습. NASA의 태양 활동 관측 위성이 코로나를 관측한 모습과 NJIT BBSO의 태양 채층과 광구 및 관련 자기장 이미지. 뒷 배경은 NASA 위성이 찍은 원반 형태의 태양 모습.  CREDIT: T. Samanta, H. Tian, V. Yurchyshyn, H. Peter, W. Cao, A. Sterling, R. Erdélyi, K. Ahn, S. Feng, D. Utz, D. Banerjee, Y. Chen.)

태양의 침상체(spicules)를 여러 층에서 본 모습. NASA의 태양 활동 관측 위성이 코로나를 관측한 모습과 NJIT BBSO의 태양 채층과 광구 및 관련 자기장 이미지. 뒤 배경은 NASA 위성이 찍은 원반 형태의 태양 모습. ⓒ T. Samanta, H. Tian, V. Yurchyshyn, H. Peter, W. Cao, A. Sterling, R. Erdélyi, K. Ahn, S. Feng, D. Utz, D. Banerjee, Y. Chen.)

코로나 가열시키는 침상체 특성 밝혀

과학저널 ‘사이언스’(Science) 15일 자에 발표한 논문에서 연구팀은 제트 같은 침상체의 중요한 특성은 태양에서 볼 때는 폭 200~500㎞의 소규모 플라스마 구조로, 태양의 팽창을 가로질러 지속적으로 분출된다.

연구팀은 또한 처음으로 제트가 어디서 어떻게 생성되는지와 경우에 따라 코로나를 향해 초당 100㎞ 속도로 이동하는 경로를 밝혀냈다.

논문 저자인 BBSO 소장 웬다 카오(Wenda Cao) 박사(태양물리학)는 “BBSO의 구디 태양 망원경(Goode Solar Telescope)으로 전례 없는 고해상도 관측을 실시한 결과 반대 극성을 가진 자기장이 태양의 낮은 대기층과 재연결될 때 이런 플라스마 제트가 강력하게 분출된다는 것을 명확히 알 수 있었다”고 설명했다.

카오 박사는 “침상체가 어떻게 생성되는지에 대한 직접 증거를 본 것은 이번이 처음”이라고 강조했다.

그는 “우리는 H-알파 스펙트럼 라인에서 나타나는 이런 역동적인 특성을 족점(foot point)까지 추적하고, 족점의 자기장을 측정하는 한편 새로 나타나는 자기적 요소의 이동을 포착하고 아울러 기존의 반대 극성 자기장과의 상호작용을 확인했다”고 덧붙였다.

침상체와 자기장. 파란 화살표와 빨간색 화살표로 표시된 두개의 다른 자기 극성. 동영상 캡처.  CREDIT: Samanta et al. 2019, Science; Data courtesy of BBSO/GST and NASA/SDO

침상체와 자기장. 파란 화살표와 빨간색 화살표로 표시된 두 개의 다른 자기 극성. 동영상 캡처. ⓒ Samanta et al. 2019, Science; Data courtesy of BBSO/GST and NASA/SDO

10 BBSO 망원경 가동되며 연구 가속화

연구팀은 NASA의 태양 활동 관측(Solar Dynamics Observatory) 위성이 극자외선(EUV) 스펙트럼에서 포착한 이미지들을 사용해 코로나의 에너지 이동을 추적했다.

이런 관측들을 통해 침상체가 일반적인 코로나 온도로 가열되는 것은 통상적인 일이라는 것을 알 수 있었다.

우리는 달이 태양을 가리는 일식 동안에 잠깐 맨눈으로 태양 둘레의 불타는 듯한 플라스마 후광을 볼 수 있다. 그러나 이 코로나는 이를 자세히 연구하는 과학자들에게도 여전히 수수께끼로 남아 있다.

코로나는 태양 표면 위 1300마일부터 시작해 모든 방향으로 수백만 마일 이상 확장되는데, 태양 핵의 핵융합로에 가장 근접한 낮은 층들보다 백배 이상 뜨겁다.

우주물리학자들이 태양 모델링의 가장 큰 도전 가운데 하나로 일컫는, 태양 상부 대기를 가열시키는 물리적 메커니즘의 결정 요인이 무엇인가를 알아내기 위해서는 태양의 고해상도 이미지가 필요하다.

이 연구는 세계에서 가장 큰 태양 관측 망원경인 BBSO의 직경 1.6미터짜리 망원경이 10년 전 가동되기 시작하면서 비로소 가능하게 되었다.

분출된 침상체(검은 사각형)가 코로나를 가열하는 모습. 동영상 캡처.  CREDIT: Samanta et al. 2019, Science; Data courtesy of BBSO/GST and NASA/SDO

분출된 침상체(검은 사각형)가 코로나를 가열하는 모습. 동영상 캡처. ⓒ Samanta et al. 2019, Science; Data courtesy of BBSO/GST and NASA/SDO

태양 흑점 진화도 추적

BBSO 과학자들은 또한 이 장비를 이용해 예를 들면 태양 표면 아래 심부에서 흘러나오는 자기장과 플라스마를 고해상도 이미지로 처음 포착했다.

그리고 이를 살펴보고 태양 흑점의 진화와, 태양 광구면 주위의 백열가스층인 채층(chromosphere)을 통해 나오는 자기 흐름 로프(magnetic flux ropes)가 코로나에서 타오르는 고리 같은 극적인 모습을 드러내기 이전에 이를 추적할 수 있었다.

카오 소장은 이번 연구를 위해 지구 관측소와 관측 위성 등의 다양한 장비와 전문지식을 가진 과학자들이 참여해 태양의 기본적인 물리학에 대해 깊이 연구할 수 있었다고 말했다.

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