태양의 미스터리 '코로나 가열 현상' 유력한 원인 밝혔다

2019.12.04 09:26
태양을 둘러싼 외곽 대기 구조인 ′코로나′는 100km 정도 구간에서 급격히 온도가 상승하는 이상한 현상을 일으킨다. 이런 현상이 일어나는 과정 일부가 새롭게 밝혀졌다. 과학동아 자료사진
태양을 둘러싼 외곽 대기 구조인 '코로나'는 100km 정도 구간에서 급격히 온도가 상승하는 이상한 현상을 일으킨다. 이런 현상이 일어나는 과정 일부가 새롭게 밝혀졌다. 과학동아 자료사진

태양을 둘러싼 가장 큰 수수께끼 가운데 하나인 태양 외곽 대기 구조인 ‘채층’과 ‘코로나’에서 관측되는 급격한 가열 현상의 원인이 밝혀졌다. 


데이비드 제스 영국 벨배스트 퀸스대 수리물리학과 교수와 이탈리아, 스페인, 노르웨이, 미국 연구팀으로 구성된 ‘태양 저층대기파장연구단(WaLSA)’은 태양 채층 및 코로나의 급격한 가열 현상이 일으키는 구조의 존재를 관측을 통해 밝혀 천문학 분야 국제 학술지 ‘네이처 천문학’ 2일자에 발표했다.


코로나는 태양의 외곽을 통틀어 일컫는 구조다. 태양이 분출한 물질 입자가 차지하고 있는 전체 범위를 일컫는다. 이 입자들은 퍼져 나가면서 마치 바람처럼 우주에 압력을 가하는데(태양풍), 지구 근처를 초속 400~800km로 지날 정도로 빠르다. 이 태양풍이 미치는 범위가 코로나다. 사실상 태양계 전체다. 코로나는 평소에는 햇빛에 가려서 보이지 않지만, 일식이 일어나 태양 원반(지상에서 둥글게 보이는 태양 표면)이 달에 완전히 가려진 뒤에 보면 일부가 희뿌옇게 보인다. 


코로나의 가장 큰 수수께끼 중 하나는 태양 표면 근처 수천km 상공의 코로나에서 관측되는 급격한 온도 상승 현상이다. 태양 표면(광구)의 온도는 약 6000도 정도이고, 표면 바로 위 ‘채층’ 구조의 온도는 약 2만 도 정도인데, 이 바로 위를 둘러싼 코로나에서 갑자기 온도가 치솟아 100만 도 이상이 된다. 난로에 불을 붙였는데, 난로 자체보다 난로 주변 공기가 갑자기 100배 이상 더 뜨거워지는 것과 비슷한 이상한 현상이다.


김수진 한국천문연구원 우주과학본부 선임연구원은 "그 동안 이 현상의 원인을 둘러싸고 크게 두 가지 이론이 있었다"며 "나노 플레어 이론과 자기유체동역학(MHD) 이론"이라고 설명했다. 나노 플레어 이론은 태양 표면에서 자기력선이 끊어지고 다시 결합하며 자기력 에너지가 열 에너지로 전환된다는 이론이다. MHD 이론은 파동가열 이론이라고도 불린다. 태양은 여러 물질 입자를 발생시키는데, 고온 환경에서 전기적 성질을 띤 입자(플라스마)로 존재한다. 이 입자는 광구 내부에서 자기장을 지닌 유체가 움직이면서 발생한 파에 실려 전달된다. 이 파가 태양 내부의 에너지를 외부로 전달해 코로나를 가열했다는 이론이다. 음파와 비슷한 파가 나오기도 하고 전자기파와 비슷한 파가 나오기도 한다.  


연구단은 미국 뉴멕시코주에 설치된 던 태양망원경의 적외선 분광기를 이용해 2016년 7월 태양 표면에 발생한 흑점의 코로나 저층부를 상세히 관측했다. 제스 교수는 “태양 대기 안에서는 (고온 환경에서) 각종 원소가 형성되는데, 분광기를 통해 이들의 움직임을 분석해 각 원소가 형성되는 태양 구조의 특성을 분석했다”고 말했다. 예를 들어 실리콘은 태양 표면(광구) 근처에서 형성되고 헬륨은 채층에서 형성된다. 연구팀은 분광기를 통해 이들 각각의 MHD 파를 관측해 속도와 특성을 여러 파장대에 걸쳐 분석했다. 제스 교수는 “복잡한 합주곡을 악보를 이용해 분석하는 것과 비슷한 방법”이라고 말했다.


그 결과 파장들이 채층 구간에서부터 일종의 공명 현상을 일으키며 강도가 갑자기 증폭됐고, 이 과정에서 태양 표면과 코로나 사이에서 온도가 크게 변화한다는 사실을 발견했다. 공명은 파장이 같은 파가 겹쳐지며 증폭되는 현상이다. 연구팀은 온도가 급격히 늘어나는 구간의 거리는 MHD 파의 파장에 따라 달라진다는 사실도 발견했다.

 

연구팀의 벤 스노우 영국 엑스터대 교수는 “태양 자기력선을 둘러싼 가열 현상 문제를 풀기 위한 중요한 진전”이라고 말했다. 김 선임연구원은 “태양에서 공명을 통해 가열 현상을 일으키는 공명 구조의 존재를 확인한 연구"라며 "MHD 이론과 관련된 공명 구조를 발견한 것”이라고 말했다.


 

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