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태양 플라즈마의 차동 회전(差動回轉 differential rotation)을 일으키는 요인 발견
태양의 극에서는 플라즈마가 한 바퀴를 도는 데 약 34일, 적도에서는 24일 걸려

태양 자전 미스터리가 풀렸나요?
천문학자들이 태양 플라즈마의 차동 회전(差動回轉 differential rotation)을 일으키는 요인을 발견했다.

수수께끼가 풀렸을까? 태양은 극보다 적도에서 더 빠르게 회전하며, 이 차이는 예상보다 크다. 그런데 왜? 이제 천문학자들은 이에 대한 답을 찾았을 것이다. 이에 따르면 태양 플라즈마의 온도 분포를 조절하는 태양의 북쪽과 남쪽에는 거대하고 빠르게 진동하는 소용돌이가 있다. 이 소용돌이는 극에서 적도로 열을 운반한 다음 그곳에서 플라즈마의 더 빠른 회전을 유도한다. 

▲ 태양 고위도 지역의 대규모 진동은 태양의 차동 회전에서 중요한 역할을 한다.© 태양계 연구를 위한 MPI/ Y. Bekki

태양은 단지 빛나는 불덩이가 아니라 그곳에서 매우 복잡한 과정이 일어난다. 태양 플라즈마의 두 가지 대규모 순환 흐름은 11년 태양 주기의 속도를 설정하는 반면 다른 대류 흐름은 태양 자기장과 버블링 태양 플라즈마의 썰물과 흐름에 영향을 미친다. 태양의 대규모 플라즈마 분출 역시 플라즈마 진동에 의해 형성된다. 2018년에 태양 연구자들은 태양 표면에서 일종의 로스비 파동(Rossby-Wave), 즉 별의 절반을 가로질러 뻗어 나가는 거대한 소용돌이 모양의 플라즈마 파동을 발견했다.

이론에 대한 모순

이제 이러한 프로세스 중 하나가 수십 년 동안 존재했던 퍼즐에 대한 가능한 답을 제공한다. 태양 내부는 모든 곳에서 같은 속도로 회전하지 않고 위도에 따라 차등적인 회전을 보인다. 태양의 극에서는 플라즈마가 한 바퀴를 도는 데 약 34일이 걸리지만, 적도에서는 24일이 걸린다. 이러한 회전 속도의 차이는 표면층에만 국한되지 않고 태양 내부 깊이 약 20만km까지 확장된다. 그들은 태양 자기장과 다른 많은 과정에 영향을 미치는 것으로 간주된다.

▲ 태양은 어디에서나 같은 속도로 회전하지 않는다. 선(line)은 다양한 위도와 깊이에서의 회전을 보여준다. © Global Oscillation Network Group/ CC-by-sa 3.0

문제는 태양의 차등 회전 정도가 일반적인 모델과 모순된다는 것이다. 이유는 아직 불분명하다. 한 이론에 따르면, 태양 극과 적도 사이의 작은 온도 차이가 중요한 역할을 할 수 있다. “안타깝게도 이러한 위도에 따른 온도 차이는 너무 작아서 직접적인 관찰을 통해 측정할 수 없다”고 괴팅겐에 있는 막스 플랑크 태양계 연구소의 유토 베끼(Yuto Bekki)와 그의 동료들이 설명한다. 수백만 도의 뜨거운 태양의 코로나로 인해 태양의 깊은 내부를 관찰하기가 어렵기 때문이다.

주기가 길지만 빠른 진동

그러나 Bekki와 그의 팀은 이제 이 문제를 해결했다. NASA의 태양 위성 태양 역학 관측소(Solar Dynamics Observatory, SDO)의 데이터를 분석하는 동안 그들은 태양 플라즈마의 흐름 패턴에서 새로운 현상을 발견했다. 태양의 적도 지역에서 이미 알려진 로스비 파동 외에도 태양극에서 긴 파동이 있다. 그들은 태양 표면에 큰 와전류로 보인다.

Bekki와 그의 팀이 이제 발견한 것처럼, 이러한 장주기 흐름은 온도 분포와 태양 플라즈마의 차동 회전에 중요한 역할을 한다. 천체물리학 모델에서 관측 데이터를 재현했을 때 극지방에서 시속 약 70km에 달하는 빠른 흐름이 광범위한 영향을 미친다는 것이 분명해졌다. Bekki는 "비선형 시뮬레이션과 관측 결과를 비교함으로써 장주기 진동의 물리학과 태양의 차동 회전을 제어하는 ​​역할을 이해할 수 있었다"고 설명했다.

<이것이 태양의 극 위도에서 발생하는 장기간 진동의 소리다. © 태양계 연구를 위한 MPI>

온도 변화에 따른 회전 패턴

이러한 장기간의 진동이 태양극에서 적도까지 열을 전달한다는 것이 밝혀졌다. 지구와 달리 태양의 극은 적도보다 더 뜨겁기 때문이다. 새로 발견된 빠른 흐름은 태양극과 적도 사이의 온도차가 항상 7도 미만으로 유지되도록 보장한다. 모델에 따르면 이 기울기는 태양 플라즈마의 차동 회전을 구동하는 데 최적이다.

"극과 적도 사이의 작은 온도 차이는 태양의 각운동량 균형을 제어하므로 태양의 글로벌 역학에 대한 중요한 피드백 메커니즘이다"고 MPI for Solar System Research의 선임 저자 Laurent Gizon은 설명했다. 시뮬레이션에서 장기간 진동으로 인한 회전 패턴과 온도 구배는 태양에서 관찰된 패턴과 거의 정확하게 일치했다.

연구진은 “우리는 고위도 진동 모드가 태양의 차등 회전을 설명한다고 결론을 내렸다”고 말했다. 이것이 더 빠르게 회전하는 다른 별에도 적용되는지는 다음에 명확히 해야 할 질문 중 하나다.
(Science Advances, 2024; doi: 10.1126/sciadv.adk5643)
출처: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung(태양계 연구)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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