태양 자기 현상에 대한 새로운 해석
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-05-23 10:38:38
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- 표면 근처 플라즈마 흐름이 약 32,000km 깊이.자기장을 생성할 수 있는 메커니즘 발견
- 태양 관측과 더욱 일치하는 태양 자기장의 형성에 대한 새로운 가설을 제안
- 미래의 강력한 태양 폭풍을 이전보다 더 잘 예측하는 데 도움
최근의 태양 폭풍은 우리 별이 얼마나 활동적인지 인상적으로 보여주었다. 그러나 태양의 자기장과 활동 주기가 어디서 어떻게 발생하는지는 여전히 불분명하다. 태양 전류와 자기장은 너무 복잡하기 때문이다. “우리는 태양 발전기가 많은 복잡하고 상호 작용하는 부품이 있는 대형 시계처럼 작동한다는 것을 알고 있다”고 에딘버러 대학의 수석 저자 Geoffrey Vasil이 설명했다. "하지만 우리는 아직 모든 조각이 어떻게 결합되는지 알지 못한다.“
깊은 곳에 있는 다이나모?
이전 모델은 대부분 태양 자기 발전기의 깊은 기원을 가정했다. 이에 따르면 약 21만km 깊이의 태양 대류층 바닥의 전류가 태양 자기장의 기초를 형성해야 한다. "그러나 이러한 전지구 대류 모델은 종종 중요한 태양 관측에 적합하지 않으며 태양 현실과 일치하지 않는 조건을 요구한다"고 Vasil과 그의 동료들은 설명했다. 이론상으로도 이 모델은 많은 현상을 결정적으로 설명할 수 없다.
이것이 바로 Vasil과 그의 팀이 태양의 다른 영역, 즉 태양의 5~10%를 차지하는 표면 근처 영역의 해류에 주목한 이유다. "우리는 궁금해 스스로에게 물었다. 태양 자기장을 생성하는 지점까지 증폭될 수 있는 플라즈마 흐름에 교란이나 작은 변화가 있을까?"라고 공동 저자인 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 키튼 번스(Keaton Burns)는 말했다. 이를 위해 연구진은 태양지진학 데이터를 분석하고 천체물리학 시뮬레이션을 만들었다.
표면에 가까운 층에서 발생
실제로 과학자들은 표면 근처 플라즈마 흐름이 약 32,000km 깊이에서 복잡한 자기장을 생성할 수 있는 메커니즘을 발견했다. 다른 속도로 서로 지나가는 플라즈마 질량의 전단력은 태양의 단순 양극 자기장을 수정 및 강화하고 진동을 포함해 더 복잡하고 때로는 가로 방향의 태양 자기장 구조를 생성한다. 이것은 차례로 흑점의 모양을 형성한다.
따라서 이 새로운 모델은 단순한 양극장을 갖는 심자기 발전기와 태양 표면에서 관찰되는 보다 복잡한 구조 및 과정 사이에서 오랫동안 추구해 온 연결을 형성할 수 있다. Burns는 “우리는 태양 표면 근처에 고립된 난류가 시간이 지남에 따라 커져 우리가 볼 수 있는 자기 구조를 형성할 수 있다는 것을 보여주었다”고 말했다.
블랙홀 주변과 같은 난류
새로 발견된 이 표면 발전기의 기초는 블랙홀 주변의 레이싱 플라즈마에서도 발생하는 메커니즘이다. 소위 자기 회전 불안정성(MRI)에서는 서로 다른 속도로 흐르는 블랙홀 주변 강착 원반의 플라즈마 영역이 안쪽으로 당기는 힘을 생성하지만 동시에 자기장을 강화할 수 있는 난류를 발생시킨다. 연구원들에 따르면, 이것이 바로 태양의 상층부에서 일어날 수 있는 일이라고 한다.
Vasil과 그의 팀은 "자기 회전 불안정성에 의해 구동되는 이러한 발전기는 때때로 발생하는 큰 최소값의 형성을 설명할 수도 있다"고 썼다. 약 400년 전 몬더 극소기와 같은 단계에서는 태양이 평소보다 덜 활동적이며 태양의 자기장도 약해지는 단계를 거친다. 새로운 모델에 따르면, 표면의 MRI 구동 증폭 과정이 때때로 "더듬거리고" 멈추기 때문에 그러한 약화 기간이 발생할 수 있다.
관찰과 모델 간의 연결
Vasil과 그의 동료들에 따르면 그들의 새로운 모델은 우리 별의 복잡한 물리학에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. “태양 자기장의 기원을 이해하는 것은 갈릴레오 갈릴레이 시대부터 열린 질문이었다”고 공동저자인 일리노이주 노스웨스턴 대학의 Daniel Lecoanet이 말했다. "우리 연구는 이제 태양 관측과 더욱 일치하는 태양 자기장의 형성에 대한 새로운 가설을 제안한다.“
연구원의 모델은 여전히 매우 단순화되어 있으며 기본적인 프로세스만 묘사할 수 있다. 그럼에도 불구하고 그들은 이것을 우리 고향 별에서 아직 불충분하게 설명된 과정 중 일부를 해독하기 위한 첫 번째 단계로 보고 있다.
이번 연구에 참여하지 않은 위스콘신 대학의 천체물리학자 엘렌 즈와이벨(Ellen Zweibel)도 이를 비슷하게 보고 있다. “Vasil과 그의 동료들의 결과는 매우 흥미로웠다. 그들은 더 상세한 모델을 위한 해석적 틀을 제공할 수 있으며 미래 연구에 확실히 영감을 줄 것이다"고 그녀는 Nature에 논평했다. 이는 또한 미래의 강력한 태양 폭풍을 이전보다 더 잘 예측하는 데 도움이 될 수 있다.
참고
Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07315-1)
출처: 매사추세츠 공과대학, 노스웨스턴 대학교
- 표면 근처 플라즈마 흐름이 약 32,000km 깊이.자기장을 생성할 수 있는 메커니즘 발견
- 태양 관측과 더욱 일치하는 태양 자기장의 형성에 대한 새로운 가설을 제안
- 미래의 강력한 태양 폭풍을 이전보다 더 잘 예측하는 데 도움
태양의 자기장 퍼즐이 풀렸나요?
태양 자기 현상은 가정보다 뿌리가 덜 깊을 수 있다,
태양 물리학의 누락된 연결 고리:
태양 자기장의 복잡한 구조는 생각이 아닌 다른 곳, 즉 천체물리학자들이 발견한 것처럼 태양 내부 깊은 곳이 아닌 태양 표면 근처에서 발생할 수 있다. 표면 근처 플라즈마 흐름은 태양 자기장을 증폭하고 수정하는 두 번째 자기 발전기처럼 작용한다. 이 메커니즘은 흑점주기와 적도 자기장과 같은 현상을 이전 모델보다 더 잘 설명할 수 있다고 연구진은 Nature에서 밝혔다.
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| ▲ 태양의 자기장은 공간과 시간에 있어서 매우 역동적이고 복잡하다. 그것이 어떻게 일어나는지는 지금까지 부분적으로만 밝혀졌다. © NASA/SDO, AIA/LMSAL |
최근의 태양 폭풍은 우리 별이 얼마나 활동적인지 인상적으로 보여주었다. 그러나 태양의 자기장과 활동 주기가 어디서 어떻게 발생하는지는 여전히 불분명하다. 태양 전류와 자기장은 너무 복잡하기 때문이다. “우리는 태양 발전기가 많은 복잡하고 상호 작용하는 부품이 있는 대형 시계처럼 작동한다는 것을 알고 있다”고 에딘버러 대학의 수석 저자 Geoffrey Vasil이 설명했다. "하지만 우리는 아직 모든 조각이 어떻게 결합되는지 알지 못한다.“
깊은 곳에 있는 다이나모?
이전 모델은 대부분 태양 자기 발전기의 깊은 기원을 가정했다. 이에 따르면 약 21만km 깊이의 태양 대류층 바닥의 전류가 태양 자기장의 기초를 형성해야 한다. "그러나 이러한 전지구 대류 모델은 종종 중요한 태양 관측에 적합하지 않으며 태양 현실과 일치하지 않는 조건을 요구한다"고 Vasil과 그의 동료들은 설명했다. 이론상으로도 이 모델은 많은 현상을 결정적으로 설명할 수 없다.
이것이 바로 Vasil과 그의 팀이 태양의 다른 영역, 즉 태양의 5~10%를 차지하는 표면 근처 영역의 해류에 주목한 이유다. "우리는 궁금해 스스로에게 물었다. 태양 자기장을 생성하는 지점까지 증폭될 수 있는 플라즈마 흐름에 교란이나 작은 변화가 있을까?"라고 공동 저자인 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 키튼 번스(Keaton Burns)는 말했다. 이를 위해 연구진은 태양지진학 데이터를 분석하고 천체물리학 시뮬레이션을 만들었다.
표면에 가까운 층에서 발생
실제로 과학자들은 표면 근처 플라즈마 흐름이 약 32,000km 깊이에서 복잡한 자기장을 생성할 수 있는 메커니즘을 발견했다. 다른 속도로 서로 지나가는 플라즈마 질량의 전단력은 태양의 단순 양극 자기장을 수정 및 강화하고 진동을 포함해 더 복잡하고 때로는 가로 방향의 태양 자기장 구조를 생성한다. 이것은 차례로 흑점의 모양을 형성한다.
따라서 이 새로운 모델은 단순한 양극장을 갖는 심자기 발전기와 태양 표면에서 관찰되는 보다 복잡한 구조 및 과정 사이에서 오랫동안 추구해 온 연결을 형성할 수 있다. Burns는 “우리는 태양 표면 근처에 고립된 난류가 시간이 지남에 따라 커져 우리가 볼 수 있는 자기 구조를 형성할 수 있다는 것을 보여주었다”고 말했다.
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| ▲ 출처:관련논문 Published: 22 May 2024 / The solar dynamo begins near the surface / nature |
블랙홀 주변과 같은 난류
새로 발견된 이 표면 발전기의 기초는 블랙홀 주변의 레이싱 플라즈마에서도 발생하는 메커니즘이다. 소위 자기 회전 불안정성(MRI)에서는 서로 다른 속도로 흐르는 블랙홀 주변 강착 원반의 플라즈마 영역이 안쪽으로 당기는 힘을 생성하지만 동시에 자기장을 강화할 수 있는 난류를 발생시킨다. 연구원들에 따르면, 이것이 바로 태양의 상층부에서 일어날 수 있는 일이라고 한다.
Vasil과 그의 팀은 "자기 회전 불안정성에 의해 구동되는 이러한 발전기는 때때로 발생하는 큰 최소값의 형성을 설명할 수도 있다"고 썼다. 약 400년 전 몬더 극소기와 같은 단계에서는 태양이 평소보다 덜 활동적이며 태양의 자기장도 약해지는 단계를 거친다. 새로운 모델에 따르면, 표면의 MRI 구동 증폭 과정이 때때로 "더듬거리고" 멈추기 때문에 그러한 약화 기간이 발생할 수 있다.
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| ▲ 무엇이 태양 발전기를 구동하여 태양의 자기장과 흑점 활동을 유도할까? © NASA/Goddard, SDO |
관찰과 모델 간의 연결
Vasil과 그의 동료들에 따르면 그들의 새로운 모델은 우리 별의 복잡한 물리학에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. “태양 자기장의 기원을 이해하는 것은 갈릴레오 갈릴레이 시대부터 열린 질문이었다”고 공동저자인 일리노이주 노스웨스턴 대학의 Daniel Lecoanet이 말했다. "우리 연구는 이제 태양 관측과 더욱 일치하는 태양 자기장의 형성에 대한 새로운 가설을 제안한다.“
연구원의 모델은 여전히 매우 단순화되어 있으며 기본적인 프로세스만 묘사할 수 있다. 그럼에도 불구하고 그들은 이것을 우리 고향 별에서 아직 불충분하게 설명된 과정 중 일부를 해독하기 위한 첫 번째 단계로 보고 있다.
이번 연구에 참여하지 않은 위스콘신 대학의 천체물리학자 엘렌 즈와이벨(Ellen Zweibel)도 이를 비슷하게 보고 있다. “Vasil과 그의 동료들의 결과는 매우 흥미로웠다. 그들은 더 상세한 모델을 위한 해석적 틀을 제공할 수 있으며 미래 연구에 확실히 영감을 줄 것이다"고 그녀는 Nature에 논평했다. 이는 또한 미래의 강력한 태양 폭풍을 이전보다 더 잘 예측하는 데 도움이 될 수 있다.
참고
Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07315-1)
출처: 매사추세츠 공과대학, 노스웨스턴 대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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