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- 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]

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