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- 코로나 플라스마 방출이 일어나지 않는 원인은 자기 "제동 장치" 때문
- 어떤 물질이나 자기 구조도 태양 밖으로 빠져나가지 않고 분출 과정이 멈추는 경우
- 결정적 이유; 태양 플레어 영역 위에 자기 재연결이 억제되는지 여부

일부 태양 플레어가 실패하는 이유는

태양에서 복사 에너지를 방출하는 폭발은 드물지 않지만, 모든 플레어가 태양 플라스마를 우주로 방출하는 것은 아니다. 천문학자들은 처음으로 이러한 "실패한" 폭발의 원인을 직접 관측했다. 코로나 플라스마 방출이 일어나지 않는 원인은 자기 "제동 장치" 때문이다. 상승하는 플라스마 바로 위에서 자기장 선이 단락되면서 플라스마의 진행을 방해하고 에너지를 소모시키는 것이다. 그 결과, 발달 중이던 폭발은 붕괴된다. 이 연구 결과는 학술지 "네이처(Nature)"에 발표되었다. 

▲ 이 태양 복사 폭발은 아크를 일으키는 태양 플라스마가 우주로 방출되기 전에 멈췄다. 천문학자들은 이제 그 이유를 밝혀냈다. © Tingyu Gou

우리 태양은 비교적 조용한 별이지만, 격렬한 복사 및 대전 입자 폭발을 일으킬 수 있다. 일반적으로 이러한 태양 폭풍은 태양 표면 바로 위에서 자기장 선이 단락되면서 시작된다. 이러한 자기 재연결은 복사 형태로 에너지를 방출해 태양 폭풍의 첫 번째 단계인 복사 폭발을 일으킨다.

태양 폭풍의 두 번째 단계는 갑작스러운 에너지 방출이 플레어 발생 지점의 태양 플라스마를 움직이게 할 때 시작된다. 플라스마는 호 모양의 자기장 선을 따라 상승한다. 이 과정에서 대전 입자들은 더욱 가속되어 마침내 자기장의 속박에서 벗어나 우주 공간으로 방출된다. 현재 이론에 따르면, 플라스마 전면 뒤쪽에서 발생하는 자기 재결합이 필요한 추진력을 제공한다.

왜 일부 플라스마 분출은 일어나지 않는 것일까?

흥미로운 점은 모든 강력한 태양 복사 폭발이 플라스마 분출로 이어지는 것은 아니라는 것이다. 때로는 위로 솟구친 플라스마 호가 단순히 다시 붕괴되기도 한다. 매사추세츠주 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 팅위 고우(Tingyu Gou) 연구원과 동료들은 "어떤 물질이나 자기 구조도 태양 밖으로 빠져나가지 않고 분출 과정이 멈추는 경우"라고 설명했다.

그렇다면 왜 일부 태양 분출은 제대로 시작되기도 전에 실패하는 것일까? 천문학자들은 "지금까지 우리는 이러한 실패한 분출과 그 메커니즘에 대한 완벽한 설명을 내놓지 못했다"고 지적한다. 오랫동안 태양 대기의 자기적 상태를 포함하여 플레어 발생 지점에서의 과정을 보여주는 관측 자료가 부족했기 때문이다. 하지만 이제 상황이 달라졌다.

▲ 2024년 3월 30일, SDO는 또 다른 강력한 방사선 파열을 관측했다. 그러나 이는 코로나 질량 방출로 이어지지는 않았다. © Tingyu Gou

목격자가 있는 실패한 폭발

2024년 3월 30일, 마침내 그 순간이 왔다. 태양에서 강력한 방사선 플레어가 발생하여 고에너지 X선과 자외선을 강렬하게 방출했다. 동시에 고밀도 플라스마가 대기권으로 상승했는데, 이는 코로나 질량 방출(CME)의 시작이었다. 그러나 플라스마 폭발은 실패로 끝났다. "플레어는 실제로 대규모 질량 방출을 일으켰어야 했지만, 시작 직후 붕괴되었다"고 고우 교수는 말했다.

이번에는 실패한 폭발의 전 과정을 관찰할 수 있는 충분한 관측 자료가 있었다. 솔라 오비터, 일본의 히노데 탐사선, 그리고 여러 고정식 태양 관측소와 지상 망원경들이 다양한 관점에서 이 현상을 관측했다. 이들은 플레어 주변의 태양 자기장 선에서 일어나는 일과 태양 플라스마의 움직임을 기록했다.

제동 장치 역할을 하는 두 번째 자기 단락

천문학자들은 "플라즈마 아크 아래에서 잘 알려진 자기 재연결 과정 외에도, 그 위에서 발생하는 두 번째 외부 자기 재연결의 명확한 흔적을 발견했다"고 보고했다. 이 두 개의 자기 단락은 초기 플라스마 분출에 매우 다른 영향을 미쳤다. 태양 자기장 선의 아래쪽 단락은 상승하는 플라스마의 하전 입자를 가속시켜 태양 ​​자기장을 뚫고 탈출할 수 있는 통로를 열어주었다.

그러나 플라스마 아크 위에서 곧바로 발생한 외부 자기 재연결은 정반대의 효과를 나타냈다. 플라스마 아크의 정점에 작용하여 이 관형 구조 내에서 태양 플라스마를 안정화하고 가속하는 자기장을 약화시켰다. 동시에, 이 위쪽 자기 재연결은 플라스마의 상승 속도를 늦추는 역할도 했다고 Gou 연구팀은 보고했다. 결과적으로, 이 두 번째 자기 단락은 제동 장치처럼 작용했다.

▲ NASA의 태양역학관측소(SDO)에서 촬영한 이 이미지는 2012년 8월 31일 태양에서 발생한 전형적인 플라스마 폭발 현상을 보여준다. © NASA/GSFC/SDO

멀리 떨어진 별들에 대한 새로운 통찰력

이러한 관측 결과는 모든 강력한 태양 플레어가 코로나 플라스마 분출을 일으키는 것은 아닌 이유를 설명할 수 있을 것이다. 결정적인 요인은 태양 플레어 영역 위에 자기 재연결이 억제되는지 여부인 것으로 보인다. 천문학자들의 설명에 따르면, 이러한 재연결이 충분히 강하면 상승하는 태양 플라스마에서 많은 에너지를 빼앗아 플라스마가 태양 표면으로 다시 떨어지게 된다.

동시에, 이번 새로운 연구 결과는 왜 멀리 떨어진 별에서 많은 플레어가 관측되었지만 플라스마 분출은 드물게 관측되었는지에 대한 단서를 제공한다. "우리 태양에서 일어난 이 실패한 분출을 관측함으로써, 우리는 우리 은하의 다른 별들에서 플레어와 플라스마 분출이 어떻게 작용하는지에 대한 통찰력도 얻게 된다"고 궈 교수는 말했다.

출처: Tingyu Gou (Center for Astrophysics – Harvard & Smithsonian, Cambridge, USA) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41550-026-02872-z

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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