유럽우주국(ESA)의 태양 탐사선 '솔라 오비터'가 촬영한 태양 최근접 사진이다. NASA 제공
태양은 질량의 98%가 수소와 헬륨으로 이뤄져있다. 중심핵에서는 수소의 원자핵과 전자가 초고온 환경에서 분리된 플라즈마 상태에서 원자핵끼리 융합하는 핵융합 반응으로 열에너지가 생긴다. 과학자들은 태양 플라즈마가 표면에서 서서히 소용돌이(파동)치며 움직이는 현상을 관측하고 플라즈마의 움직임으로 태양 내부 자기장이 만들어지는 것으로 예측해왔다. 태양의 자기장은 태양풍을 유발해 지구에도 영향을 준다. 하지만 플라즈마의 움직임이 어떻게 생겨났는지는 명확하게 규명되지 않았다.
독일 막스플랑크연구회 태양계연구소(MPS)와 독일 괴팅겐대학 연구진은 미국 항공우주국(NASA)의 태양활동관측위성(SDO)이 수집한 10년치 데이터를 분석한 뒤 컴퓨터 모델링을 통해 태양 표면에서 플라즈마가 어떻게 느린 속도의 파동을 보이는지를 알아내고 천문학 분야 국제학술지 ‘천문학및천체물리학’ 7월 20일자(현지시간)에 발표했다.
연구진은 태양 표면 플라즈마 파동의 기원을 찾기 위해 SDO의 10년치 데이터를 토대로 컴퓨터 모델링 기법을 고안했다. 모델링에는 2013년 관측된 큰 규모의 플라즈마 파동과 이보다 더 큰 규모로 최근 관측된 플라즈마 파동을 관측한 데이터가 결정적으로 도움을 줬다.
연구진의 분석 결과 플라즈마 파동의 움직이는 속도는 시속 5km로 사람이 걷는 속도와 유사했다. 이같은 느린 속도의 움직임은 태양의 서로 다른 영역이 각자 다른 속도로 회전하기 때문에 생겨난다는 사실도 확인했다. 태양의 중심축을 기준으로 극 부분은 34.4일마다 한바퀴 회전하는 반면, 태양의 적도 부근은 축을 중심으로 25일마다 한바퀴 회전하는 것으로 분석됐다. 이같은 차이로 표면의 플라즈마 파동이 생겨난다는 설명이다.
연구진은 또 태양 내부 물질의 정체에도 한걸음 더 다가갔다. 태양 내부에 존재하는 물질은 대류 현상을 통해 중심핵에서 생성된 뜨거운 물질이 표면으로 올라온다. 연구진은 컴퓨터 모델링을 통해 태양 내부 물질이 최대 20만1168km 깊이에서 표면으로 올라오게 된다는 사실을 알아내는 데 성공했다.
이번 연구를 수행한 유토 베키 연구원은 “모델링을 통해 태양 내부를 들여다보고 태양 내부 대류 활동의 3차원 구조를 확인할 수 있었다”며 “다양한 주기로 활동하는 다양한 크기와 유형의 플라즈마 파동을 분석한 결과 일부 파동은 극 주변에서 최대 속도를 보였고 일부는 중위도나 적도 부근에서 가장 빠른 속도로 진행됐다”고 밝혔다.
같은 연구팀의 대미언 포니에르 연구원은 “과학자들은 1960년대부터 태양 표면의 플라즈마 파동에 대해 알고 있었지만 어떤 메커니즘에 의해 이같은 플라즈마 파동이 일어나는지를 규명하지 못했다”며 “이번 연구를 통해 태양 물질의 대류 깊이와 위도에 따른 표면 파동 특성 등을 재구성할 수 있게 됐다”고 설명했다.
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