두 개의 우주선이 65년 된 우주 미스터리, 즉 태양 대기가 왜 그렇게 뜨거운지를 해결하는 데 도움이 되는 획기적인 측정을 제공했습니다. 태양의 대기를 코로나라고 합니다. 플라즈마라고 불리는 전기적으로 충전된 가스로 구성되며 온도는 섭씨 약 100만 도입니다. 태양의 표면 온도가 섭씨 약 6,000도에 불과하기 때문에 그 온도는 영원한 미스터리입니다. 코로나는 태양 에너지가 핵의 핵로에서 나오므로 표면보다 시원해야 하며, 열원에서 멀어질수록 자연적으로 더 시원해집니다.그러나 코로나의 온도는 표면보다 150배 이상 높다. 직장에서 플라즈마에 에너지를 전달하는 또 다른 방법이 있을 것입니다. 그것은 무엇입니까?
Solar Orbiter의 Metis 장비로 촬영한 이 이미지에서 코로나로 알려진 태양의 외부 대기가 우주로 확장되는 것을 볼 수 있습니다. Metis는 가시광선과 자외선 파장 모두에서 작동하는 다중 파장 장치입니다. 이것은 코로나그래프입니다. 즉, 태양 표면에서 밝은 햇빛을 차단하여 코로나의 입자에 의해 산란된 희미한 빛을 볼 수 있게 합니다. 이 이미지에서 흐릿한 빨간색 디스크는 코로나그래프를 나타내고, 흰색 디스크는 불필요한 다운링크 데이터의 양을 줄이기 위해 이미지 크기를 압축하는 데 사용되는 마스크입니다. 이미지 제공: ESA 및 NASA/태양 궤도선/메티스 그룹; D. Telloniet al. (2023)
이론적 및 조사적 과제
태양 대기의 난류는 코로나에서 플라즈마의 상당한 가열을 일으키는 것으로 오랫동안 의심되어 왔습니다. 하지만 이 현상을 연구하던 중 태양물리학자들은 현실적인 문제에 직면하게 되었습니다. 단 하나의 우주선으로 필요한 모든 데이터를 수집하는 것은 불가능했습니다.
태양을 연구하는 방법에는 원격 탐사와 현장 측정이라는 두 가지 방법이 있습니다. 원격 탐사 측정에서는 우주선이 멀리 떨어져 있고 카메라를 사용하여 다양한 파장에서 태양과 대기를 관찰합니다. 현장 측정에서 우주선은 연구하려는 영역 위로 비행하여 공간의 해당 부분에서 입자와 자기장을 측정합니다.
두 가지 방법 모두 장점이 있습니다. 원격 탐사는 대규모 결과를 보여줄 수 있지만 플라즈마에서 발생하는 프로세스의 세부 사항을 보여줄 수는 없습니다. 동시에 현장 측정은 플라즈마의 소규모 프로세스에 대한 매우 구체적인 정보를 제공할 수 있지만 이러한 프로세스가 대규모 프로세스에 어떤 영향을 미치는지 보여줄 수는 없습니다.
이중 우주선 조사
전체 그림을 얻으려면 두 대의 우주선이 필요합니다. ESA가 주도하는 Solar Orbiter 우주선과 NASA의 Parker Solar Probe를 통해 태양물리학자들이 현재 가지고 있는 것이 바로 이것이다. Solar Orbiter는 원격 탐사 작업과 현장 측정을 수행하는 동안 태양에 최대한 가까이 접근하도록 설계되었습니다. Parker Solar Probe는 태양 자체의 원격 감지를 대부분 포기하고 대신 현장 측정을 위해 태양에 더 가까이 이동합니다.
그러나 상호 보완성을 최대한 활용하려면 Parker Solar Probe가 Solar Orbiter의 장비 중 하나의 시야 내에 있어야 합니다. 이러한 방식으로 Solar Orbiter는 Parker Solar Probe의 현장 측정으로 생성된 방대한 양의 데이터를 기록할 수 있습니다.
ESA의 Solar Orbiter는 가까운 거리에서 태양을 연구하는 두 개의 보완 우주선 중 하나입니다. 이 우주선은 NASA의 Parker Solar Probe와 함께 임무를 수행합니다. 이미지 출처: 태양 궤도선: ESA/ATGmedialab; 파커 태양 탐사선: NASA/존스 홉킨스 APL
천체 물리학 조정
토리노 천체물리학 관측소 산하 이탈리아 국립 천체물리학 연구소(INAF)의 연구원인 Daniele Telloni는 Solar Orbiter의 Metis 장비를 개발하는 팀의 일원입니다. 메티스는 태양 표면의 빛을 차단하고 코로나 사진을 찍는 코로나그래프이다. 대규모 측정을 위한 완벽한 장비였기 때문에 Danielle은 Parker Solar Probe가 언제 배치될지 알아보기 시작했습니다.
그는 2022년 6월 1일에 두 우주선이 거의 올바른 궤도 구성에 있을 것이라는 사실을 발견했습니다. 본질적으로 Solar Orbiter는 태양을 바라보고 있으며 Parker Solar Probe는 옆으로 떨어져 매우 가깝지만 Métis 장비의 시야 바로 바깥에 있습니다.
문제를 발견한 Daniel은 Parker Solar Probe를 시야로 가져오려면 Solar Orbiter에서 약간의 조작만 하면 된다는 것을 깨달았습니다. 즉, Solar Orbiter를 45도 회전시키고 태양에서 약간 멀리 향하게 하는 것입니다.
그러나 우주 임무의 모든 움직임은 사전에 신중하게 계획되며, 우주선 자체는 특히 무서운 태양열을 다룰 때 매우 특정한 방향만을 가리키도록 설계되었습니다. 우주선 운영팀이 그러한 일탈을 승인할지 여부는 불분명합니다. 그러나 일단 잠재적인 과학적 보상이 모든 사람에게 분명해졌을 때 그 결정은 분명하게 "예"였습니다.
ESA의 태양 궤도선 임무는 태양에 가장 가까이 접근하는 동안 수성 궤도 내에서 태양을 마주하게 됩니다. 이미지 출처: ESA/ATGmedialab
획기적인 관찰
롤링과 편향은 계속되었습니다. 파커 태양 탐사선이 시야에 들어왔고, 두 우주선은 처음으로 코로나의 대규모 구조와 플라즈마의 미세물리적 특성을 동시에 측정했습니다.
데이터 세트 분석을 주도한 Daniel은 "이 작업은 수많은 사람들의 기여의 결과입니다."라고 말했습니다. 그들은 협력하여 최초로 코로나 가열 속도에 대한 포괄적인 관측과 현장 추정치를 작성했습니다.
논문의 공동 저자이자 헌츠빌 소재 앨라배마 대학의 Gary Zank는 "태양 궤도선과 파커 태양 탐사선을 동시에 사용할 수 있는 능력은 이 연구에 완전히 새로운 차원을 열어줍니다."라고 말했습니다.
새로 측정된 속도를 태양 물리학자들의 수년간의 이론적 예측과 비교함으로써 Daniel은 태양 물리학자들이 난류를 에너지 전달 방식으로 식별하는 데 있어 거의 확실하게 정확하다는 것을 보여주었습니다.
태양에 접근하는 파커 태양 탐사선에 대한 예술가의 개념. 이미지 출처: NASA/JohnsHopkinsAPL/SteveGribben
난기류가 이러한 효과를 만들어내는 정확한 방식은 아침에 커피를 저을 때 발생하는 것과 다르지 않습니다. 유체(가스 또는 액체)의 무작위 움직임을 자극함으로써 에너지가 더 작은 규모로 전달되고 궁극적으로 에너지가 열로 변환됩니다. 코로나에서는 유체도 자화되므로 저장된 자기 에너지도 열 에너지로 변환될 수 있습니다.
더 큰 규모에서 더 작은 규모로 자기 및 운동 에너지가 전달되는 것이 난류의 본질입니다. 가장 작은 규모에서는 파동이 결국 개별 입자(주로 양성자)와 상호 작용하여 가열됩니다.
결론과 깨달음
태양열 가열 문제가 해결되기 전에 더 많은 연구가 필요하지만 이제 Daniele의 연구 덕분에 태양 물리학자들은 처음으로 이 과정을 측정했습니다.
프로젝트 과학자 Daniel Müller는 "이것은 과학적 최초의 사례입니다."라고 말했습니다.