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- 1920년에 천체 물리학자들은 스펙트럼 선 강도가 온도의 근원을 알려준다는 것 발견
- 몇 년 전 이러한 데이터와 모델이 태양 지질학의 결과와 일치하지 않는다는 것 깨달아
- 무거운 원소의 비율은 현재 모델보다 26% 더 높다.
- 음파 속도, 헬륨 총량, 태양 중성미자 방출 역시 스펙트럼 모델과 분명한 차이

태양의 구성 기존 생각과 다소 달라
스펙트럼과 태양 지진학 간의 불일치를 해결하는 요소 측정

우리의 태양에는 생각보다 많은 산소, 규소, 네온이 포함돼 있다. 천문학자들이 밝혀낸 바와 같이 모든 무거운 원소의 비율은 현재 모델보다 26% 더 높다. 이것은 태양의 구조와 구성에 대한 새로운 빛을 비출 뿐만 아니라 수십 년 동안 수수께끼였던 스펙트럼 데이터와 태양 지진학 측정 간의 모순을 명확히 밝혀준다. 

▲ 태양의 원소 구성은 이전에 생각했던 것과는 다소 다르다. © NASA/ 고다드 우주 비행 센터

천문학자들은 스펙트럼 분석을 사용해 우리 태양과 같은 별에 어떤 요소가 포함되어 있는지 알아낸다. 빛 스펙트럼의 무지개에 있는 어두운 선은 원자가 방사선의 일부를 흡수하는 위치와 어떤 요소인지 보여준다. 1920년에 천체 물리학자들은 이러한 스펙트럼 선의 강도가 온도의 근원에 대한 결론을 이끌어낼 수 있다는 것을 발견했다. 그 이후로 태양 스펙트럼은 태양 및 기타 별의 구조 및 발달 모델에 중요한 기초를 형성했다.

혼란스러운 불일치

천문학자들이 몇 년 전에 이러한 데이터와 모델이 태양 지질학의 결과와 일치하지 않는다는 것을 깨달았을 때 더욱 충격적이었다. 이 비교적 새로운 측정 방법을 통해 연구원들은 태양과 그 표면의 미세한 진동으로 내부의 과정과 구성에 대한 결론을 도출한다. 그러나 태양 지진학적 관측은 몇 가지 중요한 점에서 스펙트럼 데이터를 기반으로 한 기존 모델의 관측과 다르다.

불일치 중 하나는 대류에 의해 형성된 태양의 층은 모델이 예측하는 것보다 훨씬 커야 한다는 것이다. 대류대 하부의 음파 속도, 헬륨 총량, 태양 중성미자 방출 역시 스펙트럼 모델과 분명한 차이를 보인다. 수년 동안 천문학자들은 "Solar Abundance Crisis"라고 불리는 이 근본적인 불일치에 대해 의아해 하며 논쟁을 벌여 왔다.

두 가지 근본적이고 확립된 태양 연구 방법 사이의 이러한 모순을 어떻게 설명할 수 있을까? 일부 연구자들은 우리 별이 초기에 금속이 부족한 가스를 삼켰거나 암흑 물질이 태양 내부에 숨겨져 있다는 다소 이국적인 가설을 제시했다.

태양 스펙트럼의 새로운 평가

하이델베르그에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소의 예카테리나 Ekaterina Magg 이끄는 천문학자들은 다른 접근 방식을 선택했다. 지금까지 스펙트럼 데이터에 기반한 모델은 대부분 태양 내부의 국부 열평형(LTE)을 가정했다. 그 후, 항성 대기의 각 구역의 에너지는 국부 온도를 결정하는 평형에 도달한다. 최근 데이터에 따르면 이 열평형은 많은 항성 대기에서 도달하지 못하므로 모델이 지나치게 단순화됐다.

따라서 Magg와 그녀의 팀은 태양 광권에서 복사와 물질의 상호 작용을 보다 정확하게 계산하기 위해 소위 비(非)-LTE 계산으로 고해상도 태양 스펙트럼의 데이터를 사용했다. 이러한 계산을 통해 그들은 스펙트럼선의 강도와 해당 원소의 풍부함 사이의 관계를 다시 결정해 태양의 화학적 조성에 대한 새로운 데이터를 얻었다.

▲ 태양 스펙트럼의 가늘고 어두운 선은 원소 함량을 나타낸다. © M. Bergemann / MPIA / NARVAL@TBL

태양은 생각보다 금속이 풍부하다.

새로운 결과는 몇 가지 중요한 요소에 대해 현재 모델에서 크게 벗어났다.
태양은 분명히 이전에 가정했던 것보다 더 많은 산소, 규소 및 네온을 포함하고 있다. "산소 존재 빈도에 대한 값은 이전 연구보다 거의 15% 높았다"라고 Magg는 보고했다. 전반적으로 태양에서 헬륨보다 무거운 원소의 비율은 생각보다 26% 더 높다. 따라서 태양은 이전 가정보다 금속이 더 풍부하다.

더 중요한 것은, 이러한 새로운 값이 "태양 풍부 위기"를 해결한다는 것이다. 스펙트럼 요소 값을 태양의 구조 및 진화 모델에 삽입하면 태양 지진파 측정과의 수수께끼 같은 불일치가 사라진다. 연구팀은 “분광학적 결과를 기반으로 한 표준 태양 모델이 태양 지진학 기법으로 결정된 태양 내부 구조를 재현할 수 있는 것은 이번이 처음”이라고 말했다.

더 나은 태양 모델로 가는 길

따라서 이 연구는 분광 및 태양 지진학적 관측과 양립할 수 있는 태양 및 항성 구조의 새로운 모델에 대한 길을 열어준다. "우리가 결정한 새로운 화학 조성 값을 기반으로 하는 새로운 태양 모델은 그 어느 때보다 현실적이다. 결과적으로 오늘날 태양 구조에 대한 모든 정보와 호환되는 태양 모델이 생성된다. 음파, 중성미자, 광도 및 태양 반경 등. 태양 내부에서 이국적인 물리학을 사용하지 않고도"라고 Magg의 동료 Maria Bergemann이 말했다.

또 다른 장점은 새로운 모델이 태양 이외의 별에도 더 잘 적용될 수 있다는 것이다. 이것은 항성 화학에 대한 미래의 분석, 우리 우주의 화학적 진화에 대한 재구성을 그 어느 때보다 더 견고하게 만든다.
(Astronomy & Astrophysics, 2022; doi: 10.1051/0004-6361/202142971)
출처: Max-Planck-Institut für Astronomie

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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