궤도 망원경 관측: 자기 에너지가 태양 대기 가열의 핵심 열원임을 밝혀내

태양풍에서 처음 감지된 현상이 태양에 대한 오래된 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 왜 태양 대기가 표면보다 수백만 도 더 뜨거운가? 지구 궤도 적외선 영상 분광기(IRIS)와 대기 영상 조립체(AIA)의 이미지는 낮은 고도의 자기 루프가 수백만 도 켈빈으로 가열됨을 보여주는 증거를 제시합니다.

라이스 대학교, 콜로라도 볼더 대학교, NASA 마셜 우주비행센터의 연구자들은 실리콘 같은 무거운 이온이 태양풍과 태양의 채층과 코로나 사이의 전이 영역에서 선택적으로 가열된다고 주장합니다. 거기서 자기화된 플라즈마 루프가 지속적으로 아치를 그리며, 코로나 위의 사촌들과 매우 비슷합니다. 이들은 훨씬 작고 분석하기 어렵지만, 나노플레어 형태로 에너지 폭발을 방출하는 자기 구동 메커니즘을 품고 있다고 오랫동안 생각되어 왔습니다. 라이스 태양 물리학자 Stephen Bradshaw와 동료들은 그러한 의심을 가진 사람들 중 하나였지만, IRIS 이전에는 충분한 증거가 없었습니다.

고고도 분광기는 전이 영역을 관측하도록 특별히 제작되었습니다. NASA 지원 연구에서 연구자들은 강한 산소 스펙트럴 서명과 특히 무거운 실리콘 이온을 포함하는 재연결 루프의 '밝아짐(brightenings)'을 설명합니다.

Bradshaw 팀, 그의 전 학생이자 현재 콜로라도 대기우주물리학연구소 연구 교수인 Shah Mohammad Bahauddin, NASA 천체물리학자 Amy Winebarger는 IRIS 이미지를 연구했습니다. 이 이미지들은 전이 영역 루프의 세부 사항을 해결하고 초고온 플라즈마 포켓을 감지할 수 있게 했습니다. 이미지들은 이온들의 움직임과 온도를 그들이 방출하는 빛을 통해 분석할 수 있게 했으며, 화학적 '지문' 역할을 하는 스펙트럴 라인으로 읽힙니다.

"모든 물리학이 방출선에 각인되어 있습니다."라고 물리학 및 천문학 부교수인 Bradshaw는 말했습니다. "아이디어는 이 미세 구조들이 어떻게 가열되는지 배우고 코로나 자체가 어떻게 가열되는지에 대해 무언가 말할 수 있기를 바라는 것입니다. 이는 태양 대기 전체에서 작동하는 보편적 메커니즘일 수 있습니다."

이미지들은 열적 및 도플러 효과로 선이 넓어진 핫스팟 스펙트라를 드러냈습니다. 이는 나노플레어에 관여하는 원소뿐만 아니라 그들의 온도와 속도도 나타냅니다. 핫스팟에서 그들은 실리콘 이온을 포함하는 재연결 제트들이 관찰자(IRIS)를 향해(청색 편이) 그리고 멀어지는(적색 편이) 방향으로 초당 최대 100킬로미터 속도로 움직이는 것을 발견했습니다. 가벼운 산소 이온에는 도플러 편이가 감지되지 않았습니다.

연구자들은 메커니즘의 두 구성요소를 연구했습니다: 자기장에서 에너지가 어떻게 빠져나오는지, 그리고 그것이 실제로 어떻게 플라즈마를 가열하는지. 전이 영역은 약 10,000화씨도(약 5,538°C)뿐이지만, 태양 표면의 대류가 루프에 영향을 미쳐 루프를 구성하는 얇은 자기 가닥을 꼬고 땋아 자기장에 에너지를 추가하며, 이는 궁극적으로 플라즈마를 가열한다고 Bradshaw는 말했습니다. "IRIS 관측은 그 과정이 일어나고 있음을 보여주었고, 우리는 적어도 첫 번째 부분에 대한 한 가지 답이 자기 재연결을 통한 것임을 합리적으로 확신합니다. 제트는 그 핵심 서명입니다."라고 그는 말했습니다.

이 과정에서 플라즈마 가닥의 자기장이 땋임 지점에서 끊어지고 더 낮은 에너지 상태로 재연결되어 저장된 자기 에너지를 방출합니다. 이 일이 일어나는 곳에서 플라즈마는 초고온이 됩니다. 하지만 방출된 자기 에너지가 어떻게 플라즈마를 가열하는지는 지금까지 퍼즐로 남아 있었습니다. "우리는 재연결이 일어나는 이 작은 루프 구조의 영역들을 살펴보고 이온들, 주로 실리콘과 산소의 방출선을 측정했습니다."라고 그는 말했습니다. "실리콘 이온의 스펙트럴 선이 산소보다 훨씬 더 넓다는 것을 발견했습니다."

이는 실리콘 이온의 선택적 가열을 나타냅니다. "우리는 그것을 설명해야 했습니다." Bradshaw는 말했습니다. "살펴보고 생각한 결과, 무거운 이온을 가벼운 이온보다 선호하여 가열하는 이온 사이클로트론 가열(ion cyclotron heating)이라는 운동론적 과정이 있다는 것이 밝혀졌습니다." 그는 이온 사이클로트론 파동이 재연결 지점에서 생성된다고 말했습니다. 무거운 이온이 운반하는 파동은 파동이 '깨지고' 난류를 생성하여 이온들을 산란시키고 활성화시키는 불안정성에 더 취약합니다. 이는 플라즈마의 국소 온도만으로 예상되는 것보다 스펙트럴 선을 더 넓힙니다. 가벼운 이온의 경우 불안정성을 유발하는 데 필요한 임계 속도를 초과할 만큼 충분한 에너지가 남지 않을 수 있습니다. "그렇지 않으면 그들은 가벼운 이온에 대해 더 빠른 임계 속도를 초과하지 않습니다."라고 그는 말했습니다.

"태양풍에서 무거운 이온은 가벼운 이온보다 현저히 더 뜨겁습니다." Bradshaw는 말했습니다. "이는 확실히 측정되었습니다. 우리 연구는 이것이 전이 영역의 속성이기도 하며, 우리가 식별한 메커니즘으로 인해 태양 코로나를 포함한 전체 대기에서 지속될 수 있음을 처음으로 보여줍니다. 특히 태양풍은 코로나가 행성 간 공간으로 팽창하는 현상이기 때문입니다."

다음 질문은 Bahauddin이 말한 것처럼, 그러한 현상이 태양 전체에서 같은 비율로 일어나는가입니다. "아마도 아닐 것입니다."라고 그는 말했습니다. "그러면 질문은, 그들이 코로나 가열 문제에 얼마나 기여하는가? 상층 대기가 수백만 도 코로나를 유지할 만큼 충분한 에너지를 공급할 수 있는가?"입니다.