과학자들은 마침내 1940년대부터 찾고 있던 태양파 현상, 즉 태양 코로나의 소규모 비틀림 알벤파를 포착했습니다. 소위 비틀림 알벤파(torsional Alfvén wave)는 자기장 선을 따라 전파되고 뒤틀린 스프링처럼 앞뒤로 비틀어지는 회전 자기파를 의미합니다. 그들은 태양 대기에서 많은 양의 에너지를 운반할 수 있다고 믿어집니다.
이러한 유형의 변동은 1942년 스웨덴 물리학자 Hannes Alvin에 의해 처음 제안되었습니다. 최신 결과는 세계에서 가장 강력한 태양 망원경인 하와이의 Daniel K. Inouye Solar Telescope를 사용하여 확인되었으며 "Nature Astronomy"에 게재되었습니다. 코로나가 태양 표면보다 훨씬 뜨거운 이유에 대한 오랜 문제를 해결하는 핵심 단서를 제공할 것으로 기대된다.
태양 코로나는 태양의 가장 바깥쪽 대기로, 수백만 킬로미터에 걸쳐 뻗어 있으며 극도로 뜨거운 이온화된 플라즈마로 구성되어 있습니다. 플라즈마는 물질의 "제4의 상태"로 알려져 있습니다. 이 상태에서 원자는 엄청난 양의 에너지를 획득한 후 전자가 핵 주변에서 벗겨져 자기장에 의해 지배되는 하전 입자를 형성합니다. 이에 비해 태양의 가시광선 표면 온도는 섭씨 5,500도 정도인 반면, 코로나의 온도는 놀랍게도 섭씨 100만도 이상이다. 이 엄청난 대조는 유명한 "관상열 문제"를 일으켰습니다. 코로나의 플라즈마는 계속해서 바깥쪽으로 흐르면서 전하 입자의 초음속 흐름, 즉 태양풍을 형성합니다. 태양풍은 전체 태양계를 채우고 태양권을 형성하며 인공위성, 항법 시스템 및 지상 전력망을 방해할 수 있습니다. 코로나가 어떻게 그렇게 높은 온도를 유지하기에 충분한 에너지를 계속 얻는지는 수십 년 동안 뜨거운 논쟁을 불러일으켰습니다.
많은 이론 중에서 Alfvén 파동은 가장 중요한 후보 메커니즘 중 하나로 간주됩니다. 다수의 "플럭스 튜브"(플라즈마와 에너지를 전달하는 데 사용되는 좁은 빔 자기 구조)로 구성된 플라즈마 환경에서 유일한 "순수한" Alfvén 모드는 단순히 좌우로 흔들리는 것이 아니라 자기장 선의 축을 중심으로 비틀어지는 비틀림 모드입니다. 이러한 자기 구조는 플라즈마가 자연적으로 자기장 선을 따라 흐르기 때문에 하전 입자의 이동을 제한하는 "레일"과 같은 역할을 합니다. 이번 연구를 주도한 영국 노섬브리아 대학교 교수 리처드 모튼(Richard Morton)은 “이번 발견으로 1940년대부터 지속된 장기간의 탐색이 끝났다”며 “드디어 코로나 내 자기장선의 비틀림 운동이 앞뒤로 뒤틀리는 모습을 직접적으로 볼 수 있게 됐다”고 말했다.
이 돌파구는 이노우에 망원경이 장착된 극저온 근적외선 분광편광계(Cryo-NIRSP) 덕분에 가능해졌습니다. 이 장비는 코로나의 극히 미세한 자기 및 플라즈마 구조를 관찰하도록 설계되었습니다. 이번 연구에서 연구팀은 약 섭씨 160만도까지 가열된 철 성분의 방출 신호를 추적하고 비틀림 운동과 일반적인 흔들림 운동을 구별하는 새로운 분석 방법을 개발했습니다. Morton은 다음과 같이 설명했습니다. "코로나의 플라즈마 운동은 흔들림에 의해 지배되며, 이는 비틀림 움직임을 가릴 것입니다. 따라서 진정한 비틀림을 식별하기 전에 먼저 흔들리는 구성 요소를 '벗겨내는' 방법을 개발해야 했습니다."
전체 자기 구조를 좌우로 흔드는 "꼬임파"와 달리 비틀림 알벤파는 주로 축을 중심으로 비틀림 운동을 생성하며 분광학을 통해서만 식별할 수 있습니다. 분광학은 물질과 빛의 상호 작용을 연구하며, 태양 물리학에서 과학자들은 도플러 효과를 사용하여 플라즈마의 움직임으로 인한 스펙트럼 파장의 작은 변화를 정확하게 측정합니다. 지구를 향해 이동하는 플라즈마는 스펙트럼 선에 약간의 "청색 편이"를 일으키고 지구에서 멀어지는 "적색 편이"를 유발합니다. 연구진은 자기 구조의 양쪽에서 반대 방향으로 적색 편이 및 청색 편이 신호를 분석함으로써 코로나에 숨겨진 비틀림 운동을 확인할 수 있었습니다. 데이터는 그러한 뒤틀린 알벤 파동이 코로나의 상대적으로 "조용한" 영역에서도 지속된다는 것을 보여줍니다.
현재 측정된 파동진폭은 상대적으로 작지만, 관측방법으로 인해 이는 실제 값을 어느 정도 과소평가한 것이라고 과학자들은 믿고 있다. 보수적으로 추정하더라도 이러한 뒤틀린 알벤 파동은 코로나의 고온을 유지하고 태양풍을 추진하는 데 필요한 에너지의 상당 부분을 운반할 가능성이 높습니다. Morton은 "이 연구는 Alfvén 파동 난류가 태양 대기에 어떻게 전력을 공급하는지에 대한 일련의 이론적 모델에 대한 핵심 검증을 제공하며 직접적인 관측 데이터를 통해 마침내 이러한 모델을 현실과 비교할 수 있습니다"라고 말했습니다.
이번 발견은 우리가 태양 자체를 이해하는 방법과 관련이 있을 뿐만 아니라 우주 기상 예측과도 밀접한 관련이 있습니다. 태양풍은 위성 작동, 지구 항법 시스템, 무선 통신, 송전 및 배전 네트워크에 영향을 미치는 자기 교란을 전달합니다. 연구원들은 Alfvén 파동이 NASA의 Parker Solar Probe에서 관찰한 "자기 스위치백" 현상을 설명할 수도 있다고 지적했습니다. 이는 태양풍에서 많은 양의 에너지를 전달하는 것으로 생각되는 갑작스러운 자기장 폴드백 구조입니다. 이노우에 태양 망원경이 계속해서 초고해상도 코로나 관측 이미지를 제공함에 따라 과학계는 이러한 자기파가 태양 대기에서 어떻게 전파되고 상호 작용하며 에너지를 방출하는지 향후 몇 년 안에 더 밝혀줌으로써 태양과 전체 우주 환경에 대한 우리의 이해를 심화시킬 것으로 예상됩니다.