태양 폭발 본격 감시 시작됐다

지구 향하는 위험한 고에너지 입자 관측

지구에 커다란 영향을 미치는 태양 표면 폭발(flare)의 첫 순간 분출 에너지를 처음으로 측정했다. 이에 따라 앞으로 플레어로 가속된 고에너지 입자들이 지구에 끼치는 위해성 여부를 좀 더 정확하게 예측할 수 있게 됐다.

지난 2017년 말 기존 태양 흑점 옆의 태양 표면에 거대한 새로운 자기장이 발생해 지구의 전자 통신 등에 문제를 일으킨 적이 있다. 자기 에너지의 강력한 충돌은 일련의 강력한 플레어를 일으켜 지구의 우주 기상 조건을 혼란시키는 것으로 알려져 있다.

또한 이때 방출되는 강력한 고에너지 입자는 우주선을 파괴하고 우주비행사들의 생명을 위협할 수 있다.

이번 측정은 미국 뉴저지 과학기술연구소(NJIT)가 최근에 가동을 시작한 캘리포니아 소재 오웬스 밸리 태양 관측 전파망원경(EOVSA)이 태양 폭발을 처음으로 관측한 것이다.

태양 표면의 폭발 현상인 플레어가 나타난 모습. Credit: NJIT

태양 표면의 폭발 현상인 플레어가 나타난 모습. ⓒ NJIT

처음으로 태양 폭발 시간과 위치 정확히 파악

이 영상들을 기록한 태양 연구 과학자들은 과학저널 ‘사이언스’(Science) 17일 자에 발표한 논문에서 태양 폭발이 분출하는 플라즈마를 언제 어디서 10억 도에 달하는 에너지로 가열해 방출했는지를 처음으로 정확히 지적했다.

이들은 마이크로파 스펙트럼에서 수집된 자료를 활용해 플레어의 점화 직후 전개되는 자기장 강도를 정량적으로 측정할 수 있었고, 이 자기장 힘이 다른 에너지 형태로 전환되는 것을 추적했다.

자기장 에너지는 운동에너지와 열에너지 및 초열(superthermal) 에너지로 변환돼 플레어가 5분간 코로나를 통과하며 폭발 현상을 일으키는 동력을 공급했다.

지금까지 플레어나 혹은 다른 대규모 폭발이 일어나는 동안 코로나 자기장에서 발생한 이런 변화들은, 예를 들면 흰빛으로 보이는 태양 표면층인 광구(photosphere)에서 측정한 자기장의 추정 외삽법으로부터 간접적으로만 정량화되었다.

이런 외삽법(extrapolations)은 그 위치 자기장에서의 동적인 국부적 변화를 정확히 측정할 수 없고, 플레어의 에너지 방출을 특성화하기에는 시간이 짧다.

태양의 코로나가 우주로 분출된 모습. 2012년 8월 31일 태양 역학 관측소에서 관측된 이 플레어는 9월 3일 지구에서 볼 수 있는 오로라 현상을 일으켰다.  Credit: Wikimedia / NASA Goddard Space Flight Center

태양의 코로나가 우주로 분출된 모습. 2012년 8월 31일 태양 역학 관측소에서 관측된 이 플레어는 9월 3일 지구에서 볼 수 있는 오로라 현상을 일으켰다. ⓒ Wikimedia / NASA Goddard Space Flight Center

태양 폭발 구동시키는 입자 가속 정량화

논문 저자이자 NJIT 태양-지구 연구센터 물리학 석학연구교수인 그레고리 플라이쉬만(Gregory Fleishman) 박사는 “우리는 코로나에서 자기장 에너지가 방출되는 가장 핵심적인 위치를 집어낼 수 있었다”며, “이번에 제시한 이미지들은 플레어의 미세물리를 포착한 최초의 것으로, 에너지 변환을 가능케 하는 작은 시공간 규모에서 일어나는 상세한 연쇄 과정”이라고 밝혔다.

연구팀은 해당 지역의 자기 에너지 감소와 그와 동시에 일어나는 전기장의 힘을 측정함으로써 에너지 보존의 법칙과 일치하는 두 가지가 태양 폭발을 구동시키는 입자 가속과 그와 관련된 폭발 및 플라스마 가열을 정량화할 수 있음을 보여줄 수 있었다.

이런 기본적인 과정들은 감마선 폭발을 포함한 가장 강력한 천체물리학적 원천(source)들에서 일어나는 것과 동일하며, 기초 연구와 실제 핵융합 에너지 생성에 대한 실험실 실험에서도 마찬가지다.

2012년 3월의 태양 활동과 관련된 우주 기상 조건. 데이터에는 GOES-15 X-선, 에너지 입자 및 자력계가 포함돼 있다.  Credit: Wikimedia / Dale E. Gary

2012년 3월의 태양 활동과 관련된 우주 기상 조건. 데이터에는 GOES-15 X-선, 에너지 입자 및 자력계가 포함돼 있다. ⓒ Wikimedia / Daniel Wilkinson

마이크로파 스펙트럼 관측으로 자기장 변화 발견

13개의 안테나가 함께 작동하는 EOVSA는 광학, 자외선, X선 및 무선 파장을 포함해 1~18 GHZ 범위 안의 주파수 수백 개를 1초 안에 촬영할 수 있다.

플레어의 역학을 살펴볼 수 있는 이 향상된 능력으로 인해 우리 태양계에서 가장 강력한 폭발 현상을 조사할 수 있는 새로운 경로들이 열린 셈이다. 이 폭발은 태양 표면에 있는 자기장 라인의 재연결로 점화되고 코로나에 저장된 에너지로 구동된다.

논문 공저자이자 EOVSA 책임자인 데일 게리(Dale Gary) NJIT 물리학 석학교수는 “마이크로파 방출은 코로나 자기장 환경에 민감한 유일한 메커니즘이어서, 고유의 높은 케이던스(high-cadence)를 가진 EOVSA 마이크로파 스펙트럼 관측을 통해 자기장의 빠른 변화를 발견할 수 있다”고 말했다.

게리 교수는 “코로나 자기장 안에서 움직이는 고에너지 전자들은 마이크로파 범위에서 자기-감응 복사를 지배적으로 방출하기 때문에 측정이 가능하다”고 덧붙였다.

미국 캘리포니아 오웬스 밸리 관측소의 태양 관측 전파망원경 계열(EOVSA) 모습. Credit: Wikimedia / Dale E. Gary

미국 캘리포니아 오웬스 밸리 관측소의 태양 관측 전파망원경 계열(EOVSA) 모습. ⓒ Wikimedia / Dale E. Gary

처음으로 코로나 자력 기록 매일 제공

EOVSA를 이용한 관측을 하기 전에는 가속된 고에너지 입자들이 태양 폭발에 의해 더욱 강력한 충격파로 가속돼 날아올 수 있는 광대한 공간을 감시할 방법이 없었다.

이렇게 가속된 입자들이 지구를 향하게 되면 우주탐사선을 파괴하고 우주비행사들을 위험에 빠뜨릴 수 있다.

게리 교수는 “플레어로 가속된 입자와 충격에 의해 가속된 입자의 관련성은 어떤 폭발 사건이 해가 없고 어떤 것이 위협이 되는지를 이해하는 중요한 부분”이라고 말했다.

EOVSA는 가동을 시작한 지 2년이 조금 넘어서부터 자동적으로 태양의 마이크로파 이미지를 생성해 과학자들이 매일 이를 활용할 수 있도록 하고 있다.

태양 활동은 11년 주기로 증가하는데, 이 마이크로파 이미지들은 처음으로 매일 태양 표면 위 1500마일 상공의 자기장 세기 지도인 코로나의 자력 기록을 제공하는데 활용하게 된다.

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