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- 과도한 감마선은 또한 태양 활동이 높을 때보다 태양 극소기 동안 더 강해
- 단파 복사는 태양 내부의 핵융합 과정에 의한 것이 아니라 태양과 입사 우주선의 상호 작용에 의해 발생
- 해발 4,100m에 위치한 HAWC 천문대, TeV에너지 범위의 감마선과 우주 입자 탐지

감마선 초과
태양은 이론적 모델이 설명할 수 있는 것보다 더 많은 고에너지 방사선을 방출한다.

불가사의한 과잉:
천체물리학자들이 처음으로 태양의 가장 에너지가 넘치는 부분을 포착하여 놀라운 사실을 발견했다. 우리 별은 현재 모델이 예상하는 것보다 훨씬 더 많은 테라 전자볼트 범위의 감마선을 방출한다. 이 과도한 감마선은 또한 태양 활동이 높을 때보다 태양 극소기 동안 더 강하다. 이것이 왜 그렇게 되고 왜 태양이 이론적으로 예측된 ​​것보다 더 많은 감마선을 생성하는지에 대해서는 여전히 불확실하다. 

▲ 태양은 여기에 표시된 것처럼 가시광선과 적외선만 생성하는 것이 아니다. 또한 예상치 못한 많은 양의 고에너지 감마선을 생성한다.© dzika mrowka/ Getty images

태양은 지구에서 가장 가까운 별이므로 가장 잘 연구된다. 그런데도 그들의 많은 특성과 과정은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 여기에는 태양풍의 원동력과 태양 코로나의 극심한 열뿐만 아니라 자기장과 상호 작용이 포함된다. 태양의 원소 구성에 대한 오랜 가정조차도 천체 물리학자들에 의해 최근에야 수정되었다.

페르미 망원경의 놀라운 데이터

또 다른 열린 질문은 태양 복사의 가장 에너지가 많은 부분인 감마 복사에 관한 것이다. 현재 모델에 따르면 이 단파 복사는 태양 내부의 핵융합 과정에 의해 발생하는 것이 아니라 태양과 입사 우주선의 상호 작용에 의해 발생한다. 이러한 고에너지 우주입자가 태양 대기의 양성자와 충돌하면 충돌이 일어나 고에너지 감마선을 방출한다. 2011년 NASA의 Fermi 감마선 망원경으로 측정한 결과 실제로 그러한 태양 감마선이 나타났다.

그러나 이상한 점은 "이론적인 예상과 비교할 때 태양 디스크에서 관측된 감마선의 유입은 훨씬 더 강했고 스펙트럼은 훨씬 더 단단했다"고 로스 알라모스 국립 연구소(LANL)의 Andrea Albert와 그녀의 동료들은 설명했다. 0.1~200GeV(기가 전자볼트) 범위에서 모델이 예측한 것보다 7배 더 많은 감마선 광자가 도착했다. 또한, 이 유입이 200GeV에서 검출기 상한선을 넘어 감소하거나 멈춘 징후도 없었다. 그 당시에는 더 높은 에너지 범위에서 태양 감마선을 포착할 수 있는 감지기가 없었다.

가장 높은 에너지 범위에서 맨헌트

"우리는 이제 몇 년 전에는 불가능했던 관찰 방법을 가지고 있다"고 미시간 주립 대학의 공저자 Mehr Un Nisa는 설명했다. 그중 하나가 멕시코의 고고도 수상 체렌코프 천문대HAWC(High-Altitude Water Cherenkov Observatory)다. 해발 4,100m에 위치한 이 천문대는 지구 대기를 강타하는 테라 전자볼트 에너지 범위의 감마선과 우주 입자를 탐지하도록 특별히 설계되었다.

▲ HAWC(High-Altitude Water Cherenkov Observatory)의 탱크는 멕시코의 두 산봉우리 사이 4,100m에 위치해 있다. © Jordan A. Goodman/ CC-by-sa 4.0

연구원들은 "이로 인해 HAWC는 이 에너지 범위에서 태양을 관찰할 수 있는 세계에서 몇 안 되는 감지기 중 하나가 되었다"고 설명했다. 이것은 각각 200톤의 물로 채워진 300개의 탱크 네트워크로 가능하다. 고에너지 감마선이 지구 대기에 부딪히면 특징적인 입자 붕괴를 촉발한다. 공정에서 생성된 입자는 탱크의 물 분자와 공정에서 방출되는 빛(소위 Cherenkov 방사선)과의 충돌을 통해 감지할 수 있다.

연구를 위해 Albert와 그녀의 팀은 2014년부터 2021년까지 HAWC 데이터를 평가하고 태양의 감마선에서 발생하는 이벤트를 필터링했다. 이들은 그들이 설명하는 것처럼 2차 입자 캐스케이드의 모양과 구성으로 인식할 수 있다.

이론이 허용하는 것보다 밝음

그 결과는 놀라운 것으로 나타났다. 고에너지 테라전자볼트 범위에서도 태양은 모델이 예측한 것보다 더 많은 감마선을 방출한다. "우리가 이 결과를 보았을 때 우리는 처음에 생각했다. 우리가 뭔가 잘못한 것이 분명하다. 이러한 에너지로는 태양이 그렇게 밝을 수 없다"고 Nisa는 회상했다. 그러나 추가 분석을 통해 6.3 시그마의 전반적인 유의성을 가진 이 감마선 과잉이 확인되었다.

따라서 천체 물리학자들은 태양이 포착한 가장 밝고 가장 강력한 빛을 관찰했다. "우리의 관측은 태양이 매우 높은 에너지에서도 비정상적으로 밝은 감마선 소스로 남아 있음을 보여준다"고 그들은 보고했다. 측정에 따르면 이 감마선 과잉은 거의 10TeV까지 확장된다. 팀이 결정한 대로 약 400GeV에서 차단이 있고 최대값은 2.6TeV인 것으로 보인다. "이것들은 이론적 모델에 대한 중요한 단서다"고 연구원들은 말했다. 지금까지 이론은 이 잉여를 재현할 수 없었다.

태양 주기에 반순환

또한 흥미로운 점은 태양 감마선의 양은 태양 주기에 따라 다르지만, 일반적으로 가정하는 것과 반대다. 천체물리학자들은 태양 극소기 동안, 즉 태양이 더 적은 흑점과 태양 폭풍을 생성하는 시기에 가장 큰 과잉을 감지했다. "반면에 태양 극대기 동안 우리는 약한 신호만 발견했다”고 Albert와 그녀의 팀은 말했다.

이것은 하드 우주선과 태양, 입자 및 자기장의 상호 작용이 11년 태양 주기에 걸쳐 변화한다는 것을 시사한다. 그러나 이것이 왜 그러한지 그리고 이러한 과정에서 자기장이 어떤 역할을 하는지는 여전히 불분명하다. "유출이 에너지와 독립적으로 태양 활동에 반주기적으로 거동한다는 사실은 이론적 모델링을 위한 또 다른 중요한 단서다"고 천체 물리학자들은 설명했다.

이제 검색이 시작

현재 이러한 결과는 대답하는 것보다 더 많은 질문을 제기한다. 이제 태양이 어떻게 그리고 왜 그렇게 고에너지의 강한 감마선을 생성하는지에 대한 추가 연구가 필요하다. "우리의 관찰은 테라전자볼트 범위에서 비정상적인 태양 감마선 초과를 설명할 수 있는 수정된 모델이 필요하다"고 Albert와 그녀의 동료들은 말했다.
(Physical Review Letters, 2023; doi: 10.1103/PhysRevLett.131.051201)
출처: Michigan State University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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