실험실 레이저 플라스마, 태양 나노플레어 가열 과정을 재현

중국의 물리학자들이 태양의 바깥 대기가 표면보다 수백 배 뜨거운 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있는 과정을 실험실에서 재현했습니다. 레이저로 만든 플라스마 속 자기장들이 서로 가까워지면서 자기 에너지가 열로 바뀐 것입니다.

중국원자력과학연구원의 웨이 쑨(Wei Sun)과 베이징사범대학교의 융리 핑(Yongli Ping)을 포함한 연구팀의 이 연구는 10월 20일 Physical Review Letters에 온라인으로 게재되었습니다.

뜨거운 코로나의 수수께끼

태양의 눈에 보이는 표면은 약 5500 °C이지만, 바깥 대기인 코로나는 섭씨 100만 도를 넘을 수 있습니다. 과학자들은 수십 년 동안 이 얇은 층이 어떻게 그렇게 뜨거운 상태를 유지하는지 설명하려 해 왔습니다. 유력한 용의자 중 하나는 나노플레어라 불리는 수많은 작은 플레어로, 이들이 모여 열을 공급할 수 있습니다. 이번 실험은 그중 일부의 가능한 촉발 요인을 검증합니다.

태양은 하전 입자로 이루어진 물질 상태인 플라스마로 가득 차 있으며, 자기장이 그 사이를 관통합니다. 방향이 반대인 자기장이 만나 재결합하면 저장되어 있던 자기 에너지가 방출되어 입자를 가열합니다. 이 과정을 자기 재결합이라고 합니다.

실험은 어떻게 진행되었나

연구진은 상하이의 선광-II 레이저 시설에서 표면에 미세한 물결무늬가 있는 플라스틱 표적에 서로 겹치는 네 개의 레이저 빔을 쏘았습니다. 각 펄스는 10억 분의 1초 동안 지속되며 표적 물질을 플라스마로 바꾸었습니다. 플라스마가 훨씬 밀도가 낮은 주변으로 팽창하며 느려지는 동안, 경계의 물결무늬는 ‘손가락’과 버섯 모양 구조로 자랐고, 이러한 거동을 레일리–테일러 불안정성이라고 합니다.

플라스마는 이 ‘손가락’ 주위에 자체 자기장을 만들어 냈고, 이웃한 구조들은 서로 반대 방향의 자기장을 띠고 있었습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 팽창하는 ‘손가락’이 이 자기장들을 서로 밀어붙여 재결합시켰고 주변 플라스마를 가열했습니다.

측정 결과가 보여 준 것

연구팀은 평평한 플라스틱 표적으로 실험을 반복했는데, 이 경우 ‘손가락’ 없이 더 매끄러운 흐름이 나타났습니다. 연구진은 플라스마가 방출한 X선으로 전자의 온도를 추정했습니다. 물결무늬 표적에서는 전자 최고 온도가 약 82만 °C에 달했고, 평평한 표적에서는 그 절반 정도였습니다. 자기장 형성을 막은 별도의 시뮬레이션에서는 추가 가열이 대부분 사라졌으며, 이는 자기장의 역할을 뒷받침합니다.

태양에서는 상대적으로 차갑고 밀도 높은 플라스마가 주변 대기를 뚫고 떨어지는 곳(코로나 비라고 하는 현상)에서 비슷한 조건이 생겨, 불안정성이 발달할 수 있는 경계가 만들어질 수 있습니다.

비교의 한계

실험실의 플라스마는 태양 나노플레어보다 훨씬 밀도가 높았고, 과정은 훨씬 짧은 시간 규모에서 진행되었습니다. 또한 이 장치는 태양에서 일어나는 자기 에너지의 전체 축적 과정을 재현하지는 못했습니다. 이 결과는 코로나 가열에 도움이 될 수 있는 메커니즘을 뒷받침하지만, 그것이 태양에서 얼마나 자주 작동하고 가열의 얼마만큼을 담당하는지 밝히려면 추가 관측과 실험이 필요합니다. 더 많은 소식은 과학 섹션에서 확인하세요.