태양 내부의 복사에 얼마나 투명할까
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-12-09 21:01:11
3분 읽기
- 태양의 철은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 많은 X선을 흡수
- 태양의 산소는 흡수하는 X선을 덜 흡수한다.
- 태양 불투명도 퍼즐의 일부 조각이 아직 풀리지 않은 것으로 보여
태양을 포함한 모든 별은 핵에서 수소 융합을 통해 빛난다. 이 과정에서 생성된 에너지는 주로 X선을 통해 외부로 전달된다. 따라서 태양의 열, 밝기, 구조는 태양 내부가 이 복사에 얼마나 투명한지에 따라 결정된다. 이러한 태양의 불투명도는 태양 내부의 개별 원소들이 얼마나 많은 광자를 흡수하는지, 그리고 태양에 이러한 원소들이 얼마나 많이 포함되어 있는지에 따라 결정된다.
철이나 산소처럼 무거운 원소는 가벼운 원소보다 방사선에 덜 투과되는 것으로 알려져 있다. 이는 이러한 원소들이 태양 플라즈마에서 껍질에 더 많은 전자를 보유하여 더 많은 광자를 흡수하기 때문이다.
Z-머신, 태양을 실험실로 가져오다
그렇다면 태양의 극한 조건에서 다양한 원소들은 얼마나 많은 X선을 흡수할까? 오랫동안 물리학자들은 모델을 통해서만 이를 추정할 수 있었다. 2015년, 세계에서 가장 강력한 X선 발생기 중 하나인 미국 샌디아 국립 연구소의 Z-머신이 이러한 상황을 바꾸어 놓았다. 핵융합 실험에도 사용되는 이 시설은 수백만 도의 온도와 극한의 압력을 일시적으로 생성해 태양 핵과 같은 환경을 재현할 수 있다.
샌디아 연구소의 제임스 베일리가 이끄는 연구팀은 이 시설을 이용하여 태양 조건에서 철의 X선 흡수를 먼저 측정했다. 이를 위해 얇은 철 포일에 강력한 X선 펄스를 조사해 시료를 약 200만 도까지 순간적으로 가열했다. 그 결과, 철은 태양에서와 마찬가지로 일부 전자를 잃었다. 연구팀은 분광계를 사용해 이 상태에서 포일이 얼마나 많은 X선을 투과하는지 기록했다.
태양의 철은 모델과 모순돼
놀라운 결과:
준태양 조건에서 이온화된 철 원자는 예상보다 최대 400배 더 많은 X선을 흡수했다. 이는 태양 내부의 철이 모델에서 예측한 것보다 훨씬 더 많은 X선을 흡수해야 한다는 것을 의미한다. 따라서 태양은 덜 투명해질 것이다. 베일리와 그의 연구팀은 "원소 불투명도 이론이 물리적 효과를 간과했거나 실험 오류가 있는 것"이라고 결론지었다. 그러나 철, 크롬, 니켈을 이용한 추가 측정을 통해 이러한 불일치가 확인되었다.
이제 물리학자들은 또 다른 태양 원소인 산소를 측정했다. 산소는 철 다음으로 태양의 방사선 투과율에 두 번째로 중요한 요소다. 베일리와 그의 연구팀은 "우리는 고에너지 밀도에서 세계 최초로 산소 불투명도를 측정했다"고 보고했다. 이를 위해 그들은 Z-머신에 얇은 이산화규소 샘플을 넣었다. X선 충격으로 산소 원자가 하나 또는 두 개의 전자를 제외한 모든 전자를 잃은 플라즈마가 생성되었는데, 이는 태양과 마찬가지다.
산소는 불일치를 해결할 수 없다
실험 결과, 산소는 태양 조건에서 모델에서 예측한 것과 거의 같은 양의 X선을 흡수하는 것으로 나타났다. 물리학자들은 "측정된 불투명도 값은 7개의 다른 모델에서 예측한 값과 5% 미만의 오차를 보인다"고 보고했다. 이러한 일치는 실험 방법론과 산소 이온화에 대한 기본 모델의 정확성을 확인시켜 준다.
이러한 결과는 철의 예상치 못한 높은 방사선 흡수가 산소의 낮은 흡수로 상쇄되지 않음을 의미한다. 따라서 태양 물질의 방사선 투과율에 대한 관측, 측정, 그리고 모델은 여전히 일치하지 않는다. 태양 불투명도 퍼즐의 일부 조각이 아직 풀리지 않은 것으로 보인다.
베일리와 그의 동료들이 설명하듯이, 다양한 태양 원소들이 실제로 얼마나 많은 복사선을 흡수하거나 투과하는지 명확히 하기 위해서는 추가 실험이 필요하다. 그들은 특히 더 높은 온도와 압력에 대해서는 모델을 수정해야 할 것으로 예상한다.
참고:
Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/n2k6-358d; 2019, doi: 10.1103/PhysRevLett.122.235001
출처: Physical Review Letters, American Physical Society
- 태양의 철은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 많은 X선을 흡수
- 태양의 산소는 흡수하는 X선을 덜 흡수한다.
- 태양 불투명도 퍼즐의 일부 조각이 아직 풀리지 않은 것으로 보여
태양은 얼마나 투명한가?
태양 원소의 복사 흡수는 모델과의 편차를 보인다
끊임없는 불일치:
수년 동안 태양 내부가 얼마나 많은 복사를 투과하고 얼마나 흡수하는지에 대한 논쟁이 있다. 관측 결과는 기존 모델과 모순된다. 이제 새로운 측정 결과들이 이 수수께끼를 더욱 심화시킨다. 예를 들어, 태양의 철은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 많은 X선을 흡수하는 반면, 태양의 산소는 흡수하는 X선을 덜 흡수한다. 하지만 후자는 여전히 이 수수께끼 같은 불일치를 설명하기에 충분하지 않다.
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| ▲ 태양의 내부는 핵에서 나오는 고에너지 복사에 얼마나 투명한가? © NASA/Solar Dynamics Observatory |
태양을 포함한 모든 별은 핵에서 수소 융합을 통해 빛난다. 이 과정에서 생성된 에너지는 주로 X선을 통해 외부로 전달된다. 따라서 태양의 열, 밝기, 구조는 태양 내부가 이 복사에 얼마나 투명한지에 따라 결정된다. 이러한 태양의 불투명도는 태양 내부의 개별 원소들이 얼마나 많은 광자를 흡수하는지, 그리고 태양에 이러한 원소들이 얼마나 많이 포함되어 있는지에 따라 결정된다.
철이나 산소처럼 무거운 원소는 가벼운 원소보다 방사선에 덜 투과되는 것으로 알려져 있다. 이는 이러한 원소들이 태양 플라즈마에서 껍질에 더 많은 전자를 보유하여 더 많은 광자를 흡수하기 때문이다.
Z-머신, 태양을 실험실로 가져오다
그렇다면 태양의 극한 조건에서 다양한 원소들은 얼마나 많은 X선을 흡수할까? 오랫동안 물리학자들은 모델을 통해서만 이를 추정할 수 있었다. 2015년, 세계에서 가장 강력한 X선 발생기 중 하나인 미국 샌디아 국립 연구소의 Z-머신이 이러한 상황을 바꾸어 놓았다. 핵융합 실험에도 사용되는 이 시설은 수백만 도의 온도와 극한의 압력을 일시적으로 생성해 태양 핵과 같은 환경을 재현할 수 있다.
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| ▲ 태양의 내부 구조, 원소 구성, 그리고 투과율은 서로 밀접하게 연관되어 있다. © Kelvin13, Mputzlocher/ CC-by-sa 4.0 |
샌디아 연구소의 제임스 베일리가 이끄는 연구팀은 이 시설을 이용하여 태양 조건에서 철의 X선 흡수를 먼저 측정했다. 이를 위해 얇은 철 포일에 강력한 X선 펄스를 조사해 시료를 약 200만 도까지 순간적으로 가열했다. 그 결과, 철은 태양에서와 마찬가지로 일부 전자를 잃었다. 연구팀은 분광계를 사용해 이 상태에서 포일이 얼마나 많은 X선을 투과하는지 기록했다.
태양의 철은 모델과 모순돼
놀라운 결과:
준태양 조건에서 이온화된 철 원자는 예상보다 최대 400배 더 많은 X선을 흡수했다. 이는 태양 내부의 철이 모델에서 예측한 것보다 훨씬 더 많은 X선을 흡수해야 한다는 것을 의미한다. 따라서 태양은 덜 투명해질 것이다. 베일리와 그의 연구팀은 "원소 불투명도 이론이 물리적 효과를 간과했거나 실험 오류가 있는 것"이라고 결론지었다. 그러나 철, 크롬, 니켈을 이용한 추가 측정을 통해 이러한 불일치가 확인되었다.
이제 물리학자들은 또 다른 태양 원소인 산소를 측정했다. 산소는 철 다음으로 태양의 방사선 투과율에 두 번째로 중요한 요소다. 베일리와 그의 연구팀은 "우리는 고에너지 밀도에서 세계 최초로 산소 불투명도를 측정했다"고 보고했다. 이를 위해 그들은 Z-머신에 얇은 이산화규소 샘플을 넣었다. X선 충격으로 산소 원자가 하나 또는 두 개의 전자를 제외한 모든 전자를 잃은 플라즈마가 생성되었는데, 이는 태양과 마찬가지다.
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| ▲ 샌디아 국립연구소의 z-머신은 태양 조건에서 원소의 투과율을 정확하게 측정할 수 있는 세계 유일의 시설이다. © 샌디아 국립연구소 / CC-by-nc-nd 2.0 |
산소는 불일치를 해결할 수 없다
실험 결과, 산소는 태양 조건에서 모델에서 예측한 것과 거의 같은 양의 X선을 흡수하는 것으로 나타났다. 물리학자들은 "측정된 불투명도 값은 7개의 다른 모델에서 예측한 값과 5% 미만의 오차를 보인다"고 보고했다. 이러한 일치는 실험 방법론과 산소 이온화에 대한 기본 모델의 정확성을 확인시켜 준다.
이러한 결과는 철의 예상치 못한 높은 방사선 흡수가 산소의 낮은 흡수로 상쇄되지 않음을 의미한다. 따라서 태양 물질의 방사선 투과율에 대한 관측, 측정, 그리고 모델은 여전히 일치하지 않는다. 태양 불투명도 퍼즐의 일부 조각이 아직 풀리지 않은 것으로 보인다.
베일리와 그의 동료들이 설명하듯이, 다양한 태양 원소들이 실제로 얼마나 많은 복사선을 흡수하거나 투과하는지 명확히 하기 위해서는 추가 실험이 필요하다. 그들은 특히 더 높은 온도와 압력에 대해서는 모델을 수정해야 할 것으로 예상한다.
참고:
Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/n2k6-358d; 2019, doi: 10.1103/PhysRevLett.122.235001
출처: Physical Review Letters, American Physical Society
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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