태양풍 자기장이 꺾이는 현상, 태양 대기 깊은 곳의 비밀을 어떻게 품고 있나
글 · 안미지 (스페이스타임즈 AI 기자) | 편집 · 스페이스타임즈 편집팀
3줄 요약
- 태양 탐사선 솔라 오비터의 관측 데이터를 통해 태양풍 자기장이 급격히 꺾이는 '자기 스위치백' 현상의 발원지가 태양 코로나 하부로 확인됐다.
- 스위치백 내부의 산소·탄소 이온 비율을 분석한 결과, 고온의 닫힌 자기장 고리가 열린 자기장과 재결합하며 플라즈마를 분출한 흔적이 드러났다.
- 이 현상이 태양 대기 가열과 태양풍 가속 원리를 우주 공간까지 보존해 전달하는 매개체라는 점에서 태양 물리 연구의 중요한 단서가 된다.
왜 중요한가
오랫동안 가설로만 다투던 태양풍 자기장 역전 현상의 기원을 중이온 성분 분석이라는 직접적인 증거로 규명해, 태양 대기 가열과 우주 기상 예측 모델을 정교화하는 데 기여한다.
태양에서 불어오는 거대한 입자의 흐름인 태양풍 속에는 자기장 선이 갑자기 지그재그로 날카롭게 꺾였다가 돌아오는 구조가 자주 관측된다. 산길의 굽이치는 도로를 닮았다고 해서 '자기 스위치백(magnetic switchbacks)'이라 불리는 이 현상이 태양 대기인 코로나(태양의 가장 바깥쪽 대기층)의 닫힌 자기장 고리에서 시작된다는 직접적인 증거가 확인됐다. 국제 학술지 네이처 천문학(Nature Astronomy)에 10월 8일 실린 제시 코번(Jesse T. Coburn) 등 연구진의 논문에 따르면, 스위치백 내부의 중이온 성분을 분석해 그 기원을 태양 표면 근처까지 역추적하는 데 성공했다.
풀리지 않던 수수께끼: 태양에서 생겼나, 날아가며 생겼나
태양은 전기를 띤 입자(플라즈마)의 흐름인 태양풍을 우주 공간으로 쉼 없이 내뿜는다. 태양 가까이 다가간 탐사선들은 이 태양풍을 관통하는 자기장 선이 순간적으로 방향을 뒤집는 스위치백 현상을 빈번하게 포착해 왔다. 하지만 이 구조가 왜, 어떻게 만들어지는지는 태양 물리학계의 미해결 문제로 남아 있었다.
학계의 논쟁은 크게 두 갈래였다. 태양 대기 하부에서 자기장이 폭발적으로 얽히고 끊어지는 과정에서 처음부터 만들어져 날아온다는 시각과, 태양풍이 우주 공간으로 퍼져 나가는 도중에 파동이나 난류(불규칙하게 소용돌이치는 흐름) 때문에 저절로 접힌다는 시각이 맞섰다. 이를 가려내려면 스위치백 내부의 물질이 태양의 어느 부위에서 왔는지 알려주는 화학적 지문을 찾아야 했다.
0.55 AU에서 포착한 중이온의 지문과 자기장 재결합
연구진은 태양 탐사선 솔라 오비터(Solar Orbiter)가 태양으로부터 0.55 천문단위(AU, 1 AU는 지구와 태양 사이 거리로 약 1억 5,000만km) 떨어진 지점에서 관측한 중이온 데이터를 분석했다. 수소나 헬륨보다 무거운 산소와 탄소 이온의 전하 상태 비율을 살펴본 결과, 주변 태양풍보다 높은 수치가 나타났으며 양성자 대비 헬륨의 비율은 줄어든 상태였다. 이는 해당 플라즈마가 원래 온도가 매우 높고 아치 형태로 닫혀 있는 코로나 고리(coronal loop) 구조에 갇혀 있었다는 것을 뜻한다.
연구진은 여기에 태양활동관측위성(SDO)이 측정한 전자 온도와 밀도 데이터를 결합해 코로나 모델을 구축하고 이온의 출발점을 역추적했다. 그 결과 플라즈마의 발원지는 코로나 구멍(자기장이 우주 공간으로 열려 있어 태양풍이 빠르게 빠져나가는 상대적으로 어두운 영역)의 경계면이나 그 내부의 고리 구조로 좁혀졌다. 닫혀 있던 자기장 고리가 우주로 열린 자기장 선과 부딪혀 끊어지고 다시 이어지는 '상호교환 재결합(interchange reconnection)' 과정에서 플라즈마가 우주로 튕겨 나왔다는 설명이다.
동시에 스위치백 내부의 양성자 속도와 자기장 변동은 바깥쪽으로 뻗어 나가는 알벤파(Alfvén wave, 자기장 선을 따라 전달되는 플라즈마 파동)의 특성과 일치했다. 이는 스위치백이 태양 코로나의 자기장 재결합으로 탄생한 뒤, 파동과 난류 메커니즘을 통해 우주 공간으로 전파된다는 것을 보여준다. 두 가설이 서로 배타적인 것이 아니라 생성과 이동이라는 각기 다른 단계를 설명하고 있었던 셈이다.
우주 기상 연구에 주는 의미와 남은 과제
이번 연구가 갖는 가장 큰 의미는 자기 스위치백이 태양 대기 하부의 물리적 정보를 훼손하지 않고 우주 공간까지 운반하는 타임캡슐 역할을 한다는 점을 입증한 데 있다. 태양 표면보다 코로나가 수백 배나 더 뜨거운 이유(코로나 가열 문제)와 태양풍이 어떻게 그토록 빠른 속도로 가속되는지는 현대 천체물리학의 핵심 난제다. 스위치백 내부에 보존된 화학적·물리적 흔적을 분석하면, 탐사선이 직접 들어갈 수 없는 태양 대기 깊은 곳의 가열 및 가속 과정을 간접적으로 들여다볼 수 있다.
다만 이번 연구의 결론은 0.55 AU 지점에서 포착된 특정 관측 사례와 반경험적(이론과 관측 데이터를 결합한 방식) 코로나 모델에 기반하고 있다. 또한 이온의 정확한 출발지가 코로나 구멍의 경계면인지, 아니면 구멍 내부의 작은 고리 구조인지는 여전히 두 가지 가능성으로 열려 있다. 앞으로 태양풍 속 다양한 거리와 조건에서 관측된 스위치백들에서도 동일한 중이온 특성이 보편적으로 나타나는지 추가 검증이 필요한지 지켜볼 대목이다.
