태양: 헬륨-3은 어디서 나오나?
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-04-21 22:25:33
4분 읽기
- 태양 근처에서 천문학자들은 헬륨-3만 포함된 입자 흐름을 감지
- 동위 원소의 비율은 일반적인 수준보다 20만 배나 높은 수치
- 태양 플라스마가 덜 자화돼 난류가 덜한 곳에서는 희귀한 헬륨-3이 풍부할 가능성 높아.
- 태양 헬륨-3가 어디서 나오는지, 왜 태양의 특정 장소에 축적되는지는 여전히 미스터리
우리 태양은 핵융합로다. 태양 내부에서 수소 원자핵이 융합하면서 엄청난 양의 에너지가 방출된다. 이것이 우리 별이 빛나고 열을 내는 이유다. 이러한 태양 핵융합 반응의 99%에서는 양성자가 서로 직접 융합한다. 나머지 반응에서는 더 무거운 원소가 촉매로 관여한다. 그러나 모든 태양 핵융합 경로가 공통적으로 가지고 있는 점은 일반적으로 중성자 2개와 양성자 2개로 구성된 헬륨 핵, 즉 헬륨-4(4He)를 생성한다는 것이다.
양성자 두 개와 중성자 하나만으로 구성된 헬륨의 또 다른 동위 원소도 있다. 이 헬륨-3(3He)은 희귀하다. "이 동위 원소는 우리 태양계에서 흔치 않은데, 2,500개의 헬륨 원자 중 단 하나만을 구성한다"고 텍사스주 사우스웨스트 연구소의 제1저자인 라도슬라프 부칙(Radoslav Bucik)이 설명했다. 헬륨-3 역시 태양에서는 드물며, 거의 탐사되지 않았다.
이전에는 측정되지 않았던 헬륨-3의 우세함
더욱 놀라운 것은 솔라 오비터(Solar Orbiter) 우주 탐사선이 태양 근처에서 포착한 측정 데이터다. 2023년 10월, 탐사선의 질량 분석기는 비정상적인 구성의 태양 입자 흐름을 감지했다. 일반적인 수준보다 20만 배 더 많은 헬륨-3가 포함되어 있었다. 천문학자들은 "시간에 따른 질량 스펙트로그램은 핵자 에너지가 0.4~10MeV(메가전자볼트)인 헬륨-3만을 거의 독점적으로 보여준다"고 보고했다.
놀라운 점은 헬륨-3 함량이 증가한 태양 폭발이 그 자체로 매우 드물다는 것이다. 천문학자들은 지난 25년 동안 그런 폭발을 단 19번만 감지했다. "따라서 일부 태양 입자 흐름은 헬륨-3를 높은 에너지로 우선적으로 가속하는 것으로 보이는데, 아마도 독특한 질량 대 전하 비율 때문일 것이다"고 Bucik과 그의 동료들은 설명했다. 하지만 이 입자 흐름에서 이처럼 희귀한 헬륨-3가 강력하게 우세한 것은 이전에 측정된 적이 없다.
이 태양 폭발에서 다른 원소들의 비율도 특이하다. 천문학자들의 설명에 따르면, 지금까지 감지된 소수의 헬륨이 풍부한 제트에는 수소와 헬륨 외에도 주로 철, 칼슘, 마그네슘과 같은 더 무거운 원소의 이온이 포함되어 있었다. 그러나 탄소, 산소, 유황과 같은 가벼운 원소는 거의 표현되지 않았다. 하지만 2023년 10월의 태양 제트에서는 그 반대가 일어났다.
이 입자 분사는 어디서 나오는가?
도대체 왜 그럴까? 이를 알아내기 위해 천문학자들은 다음으로 이 특이한 헬륨-3 폭발의 기원을 탐색했다. 이를 위해 그들은 또 다른 NASA 탐사선인 태양 역학 관측선(SDO:Solar Dynamics Observatory)이 촬영한 태양 표면의 고해상도 이미지를 평가했다. 이를 통해 그 근원이 코로나 홀 가장자리에서 발생한 국지적이고 약한 방사선 폭발이라는 사실이 밝혀졌다. 이런 영역에서는 태양의 자기장 선이 닫히지 않고 한쪽 끝이 우주로 자유롭게 돌출되어 있다.
"놀랍게도, 그러한 미니필라멘트는 2023년 10월 폭발뿐만 아니라 헬륨-3가 풍부한 입자 흐름의 거의 모든 다른 출처에서도 관찰되었다"고 부치크와 그의 동료들은 보고했다. 하지만 그러한 자기 필라멘트가 정확히 어떤 역할을 하는지는 아직 불분명하다.
차갑고 약하게 자화된 소스 영역
또한 주목할 점은 헬륨-3 제트의 초기 영역이 활동적인 태양 영역에 비해 상당히 차가웠다는 점이다. 천문학자들에 따르면, 이는 태양 표면의 온도가 역할을 한다는 것을 시사한다. "이것은 우선적으로 가열되고 가속되는 이온의 선택에 영향을 미치는 요인일 수 있다"고 Bucik과 그의 팀은 기술했다.
또 다른 요인은 자기장의 국지적 강도인 것으로 보인다. "놀랍게도 이 지역의 태양 자기장은 매우 약했다. 사실, 이는 활동적인 지역보다 비활동적인 지역에서 더 일반적이다"고 부치크는 설명한다. 이는 이전의 이론을 뒷받침한다. 이에 따르면, 태양 플라스마가 덜 자화되어 난류가 덜한 곳에서는 희귀한 헬륨-3이 풍부할 가능성이 더 높다.
하지만 태양 헬륨-3가 어디서 나오는지, 그리고 왜 태양의 특정 장소에 축적되는지는 여전히 풀리지 않은 미스터리로 남아 있다. 천문학자들은 솔라 오비터와 미래의 태양 탐사선에서 더 많은 데이터가 이 미스터리에 빛을 던져줄 수 있기를 바라고 있다.
참고: 천체물리학 저널, 2025; doi: 10.3847/1538-4357/adb48d)
출처: Southwest Research Institute
- 태양 근처에서 천문학자들은 헬륨-3만 포함된 입자 흐름을 감지
- 동위 원소의 비율은 일반적인 수준보다 20만 배나 높은 수치
- 태양 플라스마가 덜 자화돼 난류가 덜한 곳에서는 희귀한 헬륨-3이 풍부할 가능성 높아.
- 태양 헬륨-3가 어디서 나오는지, 왜 태양의 특정 장소에 축적되는지는 여전히 미스터리
태양: 헬륨-3은 어디서 나오나?
천문학자들은 희귀 동위 원소의 농도가 20만 배 증가한 폭발을 감지했다.
신비한 유출:
헬륨-3 동위원소는 극히 드물다. 하지만 태양 근처에서 천문학자들은 헬륨-3만 포함된 입자 흐름을 감지했다. 이 동위 원소의 비율은 일반적인 수준보다 20만 배나 높다. 이는 지금까지 측정된 것보다 더 높은 수치다. 하지만 이 헬륨-3은 어디에서 오는가? 태양의 핵융합은 주로 헬륨-4를 생성하지만, 더 가벼운 헬륨 동위 원소는 태양 표면의 일부 지역에 축적되는 것으로 보인다. 하지만 왜 이런 일이 일어나는지, 그리고 그 이면에 어떤 메커니즘이 있는지는 아직 불분명하다.
 |
| ▲ 2023년 10월, 태양은 이제까지 측정된 것보다 더 많은 희귀 동위 원소 헬륨-3을 함유한 입자를 우주로 방출했다. © NASA/SDO/AIA |
우리 태양은 핵융합로다. 태양 내부에서 수소 원자핵이 융합하면서 엄청난 양의 에너지가 방출된다. 이것이 우리 별이 빛나고 열을 내는 이유다. 이러한 태양 핵융합 반응의 99%에서는 양성자가 서로 직접 융합한다. 나머지 반응에서는 더 무거운 원소가 촉매로 관여한다. 그러나 모든 태양 핵융합 경로가 공통적으로 가지고 있는 점은 일반적으로 중성자 2개와 양성자 2개로 구성된 헬륨 핵, 즉 헬륨-4(4He)를 생성한다는 것이다.
양성자 두 개와 중성자 하나만으로 구성된 헬륨의 또 다른 동위 원소도 있다. 이 헬륨-3(3He)은 희귀하다. "이 동위 원소는 우리 태양계에서 흔치 않은데, 2,500개의 헬륨 원자 중 단 하나만을 구성한다"고 텍사스주 사우스웨스트 연구소의 제1저자인 라도슬라프 부칙(Radoslav Bucik)이 설명했다. 헬륨-3 역시 태양에서는 드물며, 거의 탐사되지 않았다.
이전에는 측정되지 않았던 헬륨-3의 우세함
더욱 놀라운 것은 솔라 오비터(Solar Orbiter) 우주 탐사선이 태양 근처에서 포착한 측정 데이터다. 2023년 10월, 탐사선의 질량 분석기는 비정상적인 구성의 태양 입자 흐름을 감지했다. 일반적인 수준보다 20만 배 더 많은 헬륨-3가 포함되어 있었다. 천문학자들은 "시간에 따른 질량 스펙트로그램은 핵자 에너지가 0.4~10MeV(메가전자볼트)인 헬륨-3만을 거의 독점적으로 보여준다"고 보고했다.
 |
| ▲ 놀랍게도 입자 제트에는 헬륨-4보다 희귀한 헬륨-3(빨간색)이 더 많이 포함돼 있었다. © Bucik et al./ 천체물리학 저널, CC-by 4.0 |
놀라운 점은 헬륨-3 함량이 증가한 태양 폭발이 그 자체로 매우 드물다는 것이다. 천문학자들은 지난 25년 동안 그런 폭발을 단 19번만 감지했다. "따라서 일부 태양 입자 흐름은 헬륨-3를 높은 에너지로 우선적으로 가속하는 것으로 보이는데, 아마도 독특한 질량 대 전하 비율 때문일 것이다"고 Bucik과 그의 동료들은 설명했다. 하지만 이 입자 흐름에서 이처럼 희귀한 헬륨-3가 강력하게 우세한 것은 이전에 측정된 적이 없다.
이 태양 폭발에서 다른 원소들의 비율도 특이하다. 천문학자들의 설명에 따르면, 지금까지 감지된 소수의 헬륨이 풍부한 제트에는 수소와 헬륨 외에도 주로 철, 칼슘, 마그네슘과 같은 더 무거운 원소의 이온이 포함되어 있었다. 그러나 탄소, 산소, 유황과 같은 가벼운 원소는 거의 표현되지 않았다. 하지만 2023년 10월의 태양 제트에서는 그 반대가 일어났다.
이 입자 분사는 어디서 나오는가?
도대체 왜 그럴까? 이를 알아내기 위해 천문학자들은 다음으로 이 특이한 헬륨-3 폭발의 기원을 탐색했다. 이를 위해 그들은 또 다른 NASA 탐사선인 태양 역학 관측선(SDO:Solar Dynamics Observatory)이 촬영한 태양 표면의 고해상도 이미지를 평가했다. 이를 통해 그 근원이 코로나 홀 가장자리에서 발생한 국지적이고 약한 방사선 폭발이라는 사실이 밝혀졌다. 이런 영역에서는 태양의 자기장 선이 닫히지 않고 한쪽 끝이 우주로 자유롭게 돌출되어 있다.
"놀랍게도, 그러한 미니필라멘트는 2023년 10월 폭발뿐만 아니라 헬륨-3가 풍부한 입자 흐름의 거의 모든 다른 출처에서도 관찰되었다"고 부치크와 그의 동료들은 보고했다. 하지만 그러한 자기 필라멘트가 정확히 어떤 역할을 하는지는 아직 불분명하다.
 |
| ▲ 헬륨-3 기류의 기원은 태양의 어두운 코로나 "구멍" 가장자리에서 발생한 작은 방사선 폭발이었다. © Bucik et al./ 천체물리학 저널, CC-by 4.0 |
차갑고 약하게 자화된 소스 영역
또한 주목할 점은 헬륨-3 제트의 초기 영역이 활동적인 태양 영역에 비해 상당히 차가웠다는 점이다. 천문학자들에 따르면, 이는 태양 표면의 온도가 역할을 한다는 것을 시사한다. "이것은 우선적으로 가열되고 가속되는 이온의 선택에 영향을 미치는 요인일 수 있다"고 Bucik과 그의 팀은 기술했다.
또 다른 요인은 자기장의 국지적 강도인 것으로 보인다. "놀랍게도 이 지역의 태양 자기장은 매우 약했다. 사실, 이는 활동적인 지역보다 비활동적인 지역에서 더 일반적이다"고 부치크는 설명한다. 이는 이전의 이론을 뒷받침한다. 이에 따르면, 태양 플라스마가 덜 자화되어 난류가 덜한 곳에서는 희귀한 헬륨-3이 풍부할 가능성이 더 높다.
하지만 태양 헬륨-3가 어디서 나오는지, 그리고 왜 태양의 특정 장소에 축적되는지는 여전히 풀리지 않은 미스터리로 남아 있다. 천문학자들은 솔라 오비터와 미래의 태양 탐사선에서 더 많은 데이터가 이 미스터리에 빛을 던져줄 수 있기를 바라고 있다.
참고: 천체물리학 저널, 2025; doi: 10.3847/1538-4357/adb48d)
출처: Southwest Research Institute
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
