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- ESA의 Solar Orbiter 우주선은 처음으로 태양풍에서 태양 스위치백(solar switchback) 촬영
- 태양풍의 이러한 S자 고리는 태양에 가까울수록 더 자주 나타나
- 스위치백은 안정된 자기장 극성과 작은 자기 난류의 조용한 기간을 번갈아 가며 조밀하고 불규칙한 클러스터에서 발생

태양 "스위치백(Swichbacks)"의 첫 번째 사진
Solar Orbiter 우주선이 태양풍의 자기 스위치백의 미스터리를 해결했다.

미스터리한 반전:
ESA의 Solar Orbiter 우주선은 처음으로 태양풍에서 이전에 불가사의했던 현상인 태양 스위치백(solar switchback)을 촬영했다. 태양풍에서 이러한 S자형 자기 스위치백이 어떻게 형성되는지는 이전에 불분명했다. 우주 탐사선의 이미지와 데이터도 처음으로 현상의 부작용을 보여준다. 이를 통해 천체 물리학자들은 스위치백이 발생하는 메커니즘을 설명할 수 있었다. 

▲ ESA의 Solar Orbiter 우주선에서 촬영한 이 이미지는 처음으로 태양풍의 스위치백을 보여준다. 여기에서 밝고 접힌 줄무늬로 볼 수 있다. © Telloni et al./ ESA

태양풍은 전체 태양계와 행성을 형성한다. 우리 별에서 방출되는 이 고에너지 하전 입자의 흐름은 행성 가스 봉투의 일부를 우주로 찢어내고 표면을 화학적으로 변화시키며 행성 자기장을 변형시킬 수 있기 때문이다. 태양 폭풍의 영향은 비교적 잘 연구됐지만 태양풍의 형성과 그 구조에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.

▲ 태양풍의 스위치백이 형성되는 방법 © ESA

이를 명확히 하기 위해 두 개의 우주 탐사선이 현재 태양 근처를 여행하고 있다. ESA 탐사선 Solar Orbiter는 우리 별의 고해상도 이미지를 제공하고 태양 극을 먼저 볼 수 있게 해준다. NASA의 Parker Solar Probe는 특히 태양에 가까워지고 있으며 이미 태양 코로나의 경계를 넘었다.

태양풍 후크의 미스터리

2019년에 Parker Solar Probe 데이터는 놀라운 현상을 보여주었다. 태양풍에는 스위치백이 있다. 즉, 태양풍의 입자 및 자기 흐름에 단기적이고 급격한 회전이 있다. 태양풍의 이러한 S자 고리는 태양에 가까울수록 더 자주 나타나는 것으로 보인다. 토리노에 있는 천체 물리학 천문대(Astrophysical Observatory)의 다니엘레 텔로니(Daniele Telloni)와 그의 동료들은 "거기서 이러한 스위치백은 안정된 자기장 극성과 작은 자기 난류의 조용한 기간을 번갈아 가며 조밀하고 불규칙한 클러스터에서 발생한다"고 보고했다.

▲ 그림 1. (a) 3.5 Re FOV 내에서 태양 코로나의 Metis 관찰 tB 이미지(파란색)와 자외선 방출의 EUI 이미지(노란색)의 합성 2022년 3월 25일 20:39 UT에 SO 유리한 지점에서 본. (b) 패널 (a)와 동일하지만 SiRGraF로 방사형 필터링된 Metis 관찰 연산. (c) 패널 확대 (b); 중첩된 것은 S자형 구조에 대한 시간-거리 분석이 수행된 직사각형 ROI이고, 흰색 사각형은 AR 12972와 관련된 루프 시스템을 나타낸다. (d) 패널 (c)에서와 동일한 FOV의 코로나 속도 맵; 흰색 점선은 S자 형상을 기준으로 위도를 표시한다. (출처:관련논문 Observation of a Magnetic Switchback in the Solar Corona) 2022 September 10 https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac8104 © 2022. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.

그러나 이러한 스위치백이 어떻게 발생하는지는 아직까지 미스터리로 남아있다.
"예를 들어, 그것들이 낮은 태양 대기의 과정에 의해 생성되었는지 아니면 태양풍 자체에서 독립적으로 형성되는지 여부는 분명하지 않다"고 팀은 설명했다. 이것은 또한 우주 탐사선의 센서가 자기 및 입자 전류의 변화에 ​​대한 국부적 스냅샷만 감지할 수 있다는 사실 때문이기도 하다. 그러나 공간 이미지나 사진조차 누락되었다.

플라즈마 스트림의 S자 꼬임

이것은 이제 Solar Orbiter 우주선 덕분에 바뀌었다. 2022년 3월 25일 태양의 첫 근접 비행을 했을 때 메티스의 코로나그래프도 태양을 가리켰다. 이 특수 카메라는 밝은 태양 디스크를 덮어 태양의 외부 대기인 코로나의 고해상도 이미지를 생성할 수 있다. 이 이미지 중 하나는 태양에서 방출되는 플라즈마 흐름의 S자형 굴곡을 보여준다.

Telloni와 그의 동료들은 "밝은 구조는 태양 반경 약 2.6의 고도에서 형성되고 바깥쪽으로 움직인 다음 약간 뒤로 접힌다"며 "완전한 형태로 구조가 전형적인 S 자형을 보여준다"고 보고했다. 연구팀에 따르면 이것은 태양 코로나에서 스위치 백의 첫 번째 사진이다.

▲ 코로나 그래프는 코로나를 이미지화할 수 있도록 태양 디스크를 덮다. 여기에 보이는 태양 이미지는 비율을 명확히 하기 위해 연구원들이 이미지에 복사했다. © Telloni et al./ ESA

활성 영역 바로 위

가장 중요한 것은 태양궤도선의 다른 기기들이 동시에 수집한 데이터를 통해 연구팀이 처음으로 이 현상의 부작용과 보다 정확한 정황을 조사할 수 있었다는 것이다. S자 모양의 머리핀은 태양 표면의 활성 영역 바로 위에 발생한 것으로 나타났다. 그들의 거대한 자기장 루프는 스위치백이 진화하는 곳까지 우뚝 솟아 있었다.

Telloni와 그의 팀은 "더 흥미롭게도 이 활성 영역은 동쪽과 서쪽으로 열린 자기장 라인이 있는 영역으로 둘러싸여 있다“고 보고했다. 루프로 닫히지 않은 이 필드 라인은 물질이 태양 표면에서 코로나로 흐를 수 있는 거대한 플라즈마 라인처럼 작용한다. 무엇보다도 그들은 빠른 태양풍의 창시자이자 스위치백의 가능한 원인으로 간주된다.

열린 자기장과 닫힌 자기장 선이 만나면

앨라배마 대학의 게리 잔크(Gary Zank)가 이끄는 팀이 2020년에 발표한 이론에 따르면, 태양풍 스위치백은 개방 및 폐쇄 태양 자기장 라인이 접촉하는 곳에서 발생한다. 이것은 국부 자기장을 편향시킬 수 있는 자기장 라인의 재연결로 이어진다. Telloni와 그의 팀은 "이러한 교환 재연결 중 가장 극단적인 것은 특징적인 S자 모양을 가지며 현장 측정에서 자기장 역전으로 나타난다"고 설명했다.

이제 Solar Orbiter의 이미지와 데이터는 처음으로 이 이론에 대한 증거를 제공한다. "Daniele Telloni가 나에게 보여준 첫 번째 Metis 사진은 스위치백의 수학적 모델을 개발할 때 그린 스케치를 즉시 생각나게 했다"고 Zank는 말했다. 상호 보완적인 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 관측 결과가 이러한 교환 재연결에 대해 예상되는 것과 상당히 근접하게 일치한다는 사실이 밝혀졌다.

▲ 그림 4. 2022년 3월 25일의 SO 관점에서 모델링된 자기장 라인(a) 및 렌더링된 스쿼싱 계수 Q(b). 3 Re(c)에서 log Q의 Carrington 지도, 광구 방사형 자기장(d) 및 태양 표면의 개방 필드 영역(e). 동부 메티스 FOV의 캐링턴 경도 2022년 3월 25일 20:39 UT와 관측된 S자형 구조의 회광학적 위도는 각각 검은색 수직 및 수평 파선으로 표시된다. AR 12972 및 관련 개방 플럭스는 녹색 화살표로 표시. 후자는 위도의 여러 위치에서 PS 커튼 및 HCS(색상으로 구분된 화살표로 표시됨)에 매핑 (출처: 관련논문 Observation of a Magnetic Switchback in the Solar Corona)

"기원의 미스터리 풀렸다“

"태양 코로나의 자기 스위치백의 첫 번째 사진은 그 기원의 미스터리를 직접 해결했다"고 Telloni는 말한다. "다음 단계는 추가 스위치백을 태양의 소스 영역과 통계적으로 연결하는 것이다." 태양 연구원은 태양 궤도선이 태양의 다음 근접 비행을 완료하는 2022년 10월 13일에 이를 수행할 새로운 기회를 갖게 될 것이다. 그것은 단지 0.29AU(천문단위)의 거리에서 지나갈 것이다.
(Astrophysical Journal Letters, 2022; doi: 10.3847/2041-8213/ac8104)
출처: ApJL, 유럽 우주국(ESA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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