Solar Orbiter, 태양풍 속 자기 스위치백을 태양의 근원까지 거슬러 추적하다

유럽우주국(ESA)은 자사의 Solar Orbiter 탐사선이 태양풍에 실려 이동하는 자기장의 S자형 접힘인 자기 스위치백(switchback)을 그것이 시작된 태양의 지점까지 거슬러 추적했다고 밝혔다. 이 결과는 프랑스 CNRS/LPP의 제시 코번(Jesse Coburn)이 이끈 논문 “On the Coronal Origin of Magnetic Switchbacks in the Solar Wind”(태양풍 내 자기 스위치백의 코로나 기원에 관하여)에서 나온 것으로, 현재 Nature Astronomy에 게재되었다. ESA에 따르면 연구팀은 탐사선이 이 구조 내부에서 발견한 입자를 분석해 그 근원을 확인했다.

태양풍은 뜨겁고 전기를 띤 기체, 즉 플라스마가 끊임없이 흘러나오는 흐름으로, 태양의 자기장을 태양계 안으로 끌고 나간다. 그 과정에서 자기력선은 꼬이거나 끊어지거나 스스로 되접힐 수 있다. 스위치백은 그러한 특징 중 하나로, 태양 가까이에서 자주 탐지되어 왔지만 어떻게 형성되는지는 여전히 논쟁 중이다. ESA는 2022년에 Solar Orbiter가 멀리서 스위치백 하나를 관측해, 연구자들이 예측했지만 직접 본 적은 없었던 S자 형태를 확인했다고 상기했다.

이번에는 탐사선이 스위치백을 정면으로 통과했다. 코번은 “Solar Orbiter가 매우 큰 스위치백을 통과해 비행했다”고 말하며, 이 덕분에 연구팀이 기원에 관한 단서를 지닌, 좀처럼 관측되지 않는 입자를 측정할 수 있었다고 설명했다. Solar Orbiter가 지구와 태양 사이의 대략 중간쯤에 있을 때 태양풍 분석기(Solar Wind Analyser, SWA)로 얻은 측정값에서 연구진은 전하를 띤 산소 입자와 탄소 입자의 조합을 발견했다. ESA는 이러한 조합이 태양 표면의 뜨거운 자기 고리 내부에서만 형성될 수 있다고 밝혔다.

코번은 스위치백, 그리고 그와 함께 태양풍이 어떻게 생겨나는지에 대한 두 가지 유력한 설명을 소개한다. 입자 조합은 그중 첫 번째인 교환 재결합(interchange reconnection)을 뒷받침한다. 이는 물질이 우주로 빠져나갈 수 있는 열린 자기력선이 태양으로 다시 휘어 돌아가는 닫힌 고리와 만나, 자기력선이 끊어졌다가 다시 연결되면서 고리에 갇혀 있던 플라스마가 빠져나가는 과정이다. 이와 경쟁하는 설명은 파동과 난류에 기반한다. 공동 저자인 영국 노섬브리아 대학교(Northumbria University)의 스테퍼니 야들리(Stephanie Yardley)는 연구팀이 그러한 징후도 보고 있지만, 이는 아마도 스위치백이 태양에서 멀어진 뒤에야 나타나는 것이라고 말한다. 야들리의 견해로는 두 과정이 모두 관여하며 “단지 스위치백 일생의 서로 다른 단계에서 작동할 뿐”이다.

연구팀은 현장(in situ) 입자 데이터 외에도 태양 원반 영상을 검토하고 태양과 주변 공간의 자기장을 모델링했다. ESA는 연구진이 플라스마가 어디에서 왔는지 알아내기 위해 새로운 모델을 구축했으며, Solar Orbiter의 측정값을 NASA의 Solar Dynamics Observatory(태양활동관측위성) 데이터와 연결해 근원 영역의 위치를 찾아냈다고 밝혔다. ESA에 따르면 이 연구는 또한 태양 대기가 태양풍 입자에 그 흔적을 남긴다는 점을 보여 주며, 이를 통해 과학자들은 태양에서 멀리 떨어진 곳에서 측정된 플라스마의 이력을 재구성할 수 있게 될 수도 있다.