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‘젊은 태양’에서 과거 태양폭풍의 단서를 찾다.

[연구필요성]

과학자들은 태양이 내뿜는 플라스마 폭풍, 즉 코로나질량방출이 과거에는 지금보다 지구에 훨씬 큰 영향을 미쳤을 것으로 여기고 있다. 이런 과거의 태양 활동을 이해하기 위해, 수소 알파선 분광 관측을 통해 젊은 태양별과 비슷한 항성에서 나오는 코로나질량방출을 관측하고자 해 왔으나, 충분히 빠른 속도를 가진 분출 현상이 예상보다 적었다. 이 문제를 해결하기 위해, 서울토토사이트 운영 썰교 연구진이 포함된 국제 연구팀은 허블우주망원경과 지상망원경의 공조 관측을 수행했다.

[연구성과/기대효과]

국제 연구팀은 공조 관측을 통해, 용자리 EK별에서 1만 K 온도를 보이는 플라스마의 분출과 온도가 10만 K인 플라스마의 분출이 동시에 일어나고, 10만 K 온도 플라스마는 1만 K 온도 플라스마보다 매우 빠른 속도로 분출함을 세계 최초로 확인했다. 이는 예상했던 바와 같이 코로나질량방출이 초기 태양에서 자주 발생했음을 지지해 주는 연구성과이다. 태양 활동이 과거에 지구의 생명 출현 및 진화에 미친 영향을 밝히는 데에 기여할 것이다.

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과거 태양폭풍은 매우 강하고 빈번해, 지구상의 생명체 서식 환경에 막대한 영향을 줄 정도였음을 뒷받침해 주는 최신 과학 연구결과가 논문으로 발표되었다.

태양폭풍은 태양에서 폭발적으로 밝아지는 플레어, 그리고 플레어와 연관되어 행성간 공간으로 방출되는 거대한 플라스마 덩어리인 코로나질량방출을 아울러 이르는 현상이다. 태양폭풍은 지구의 고층대기와 자기권에 영향을 미쳐, 우주기상 현상을 지배하고 있다.

그런데 과거 태양폭풍은 지금보다 훨씬 강했을 것이며, 훨씬 자주 일어나, 지구 대기를 벗겨 내고, 강력한 우주방사선을 생산함으로써, 지구상 생물체의 서식 환경에 매우 위협적인 요소로 작용했을 것으로 보인다. 하지만 과거 태양 활동을 관측이나 실험으로 알아내기란 거의 불가능하다.

과학자들이 대안으로 찾아낸 것은 과거 태양과 비슷한 외계 항성을 관측하는 것이다. 용자리 EK별은 태양의 나이가 1억 년보다 어렸을 때의 모습과 매우 비슷한 항성이다. 과학자들은 이 별을 지상에서 관측하여 코로나질량방출의 단서를 찾아내는 데 성공했다. 하지만 예상과 달리, 이 별에서 분출 속도가 충분히 빠른 경우는 드물어서, 강력한 코로나질량방출이 정말 자주 일어나는지 의구심이 생기게 되었다. 이 문제를 풀기 위해, 서울토토사이트 운영 썰교 물리천문학부 채종철 교수와 연구원들이 참여한 국제 연구팀은 허블우주망원경과 한국과 일본의 지상망원경을 동시에 가동하여 용자리 EK별의 공조 관측을 수행했다. 서울토토사이트 운영 썰교 연구팀은 한국천문연구원이 운영하는 보현산천문대의 고분산에셸분광기(BOES)를 사용하여 가시광 분광 관측을 수행했다.

이 공조 관측으로부터 국제 연구팀은 용자리 EK별에서 코로나질량방출이 다중 온도 플라스마로 구성되었다는 관측적 증거를 세계 최초로 확보하였다. 연구팀은 허블우주망원경의 자외선 분광기로부터 온도가 10 만 K인 따뜻한 플라스마가 초속 300에서 500 킬로미터로 방출되는 순간을 포착했으며, 이로부터 10분 후 보현산천문대 고분산분광기로부터 온도가 1만 K인 차가운 플라스마가 초속 70 킬로미터로 지속적으로 방출되었음을 확인했다. 따뜻한 플라스마는 차가운 플라스마보다 훨씬 많은 에너지를 실어 나르고 있었다. 이는 차가운 플라스마 관측으로만 추정하는 것보다, 이 별에서 훨씬 강한 항성폭풍이 더 자주 일어나고 있음을 의미하며, 이로부터 태양에서도 과거에는 강력한 태양폭풍이 빈번하게 일어났을 것으로 추정할 수 있다.

서울토토사이트 운영 썰교 연구팀의 채종철 교수는 “초기의 젊은 태양에서 발생하는 강력하고 빈번한 태양폭풍은 초기 지구의 자기권과 대기를 벗겨 내고, 다량의 우주방사선을 생산해 냄으로써 지구상 생명체 출현과 서식 환경에 영향을 미쳤을 것”이라고 말한다. 본 연구성과는 한국, 일본, 미국의 국제적 협력 및 우주관측과 지상관측의 정밀한 조율에서 얻어졌다. 공조 관측을 이끌었던 일본 교토토토사이트 운영 썰교의 나메카타 박사는“비록 우리가 나라는 다르지만, 과학을 통해 진리를 추구하는 동일한 목표를 갖고 있다는 것을 알게 되어 기쁘다”고 전했다.

[연구결과]

Discovery of multi-temperature coronal mass ejection signatures from a young solar analogue

Kosuke Namekata, Kevin France, Jongchul Chae, Vladimir S. Airapetian, Adam Kowalski, Yuta Notsu, Peter R. Young, Satoshi Honda, Soosang Kang, Juhyung Kang, Kyeore Lee, Hiroyuki Maehara, Kyoung-Sun Lee, Cole Tamburri, Tomohito Ohshima, Masaki Takayama & Kazunari Shibata
(Nature Astronomy, https://doi.org/10.1038/s41550-025-02691-8 )

국제 연구팀은 우주 및 지상 공조 관측으로부터 용자리 EK별에서 1만 K 온도 플라스마의 분출과 10만 K 온도 플라스마의 분출이 동시에 일어나고, 10만 K 온도의 따뜻한 플라스마가 1만 K 온도의 차가운 플라스마보다 매우 빠른 속도로 분출함을 최초로 확인했다. 이는 예상했던 바대로 코로나질량방출이 초기 태양에서 자주 발생했음을 지지해 주는 연구성과로, 초기 태양 활동이 과거에 지구의 생명 출현 및 진화에 미친 영향을 밝히는 데 기여할 것이다.

[그림1] 용자리 EK별에서 관측된 항성폭풍. 파란색 부분은 초속 300-500 km로 분출되는 10만 K 온도 플라스마를, 붉은색 부분은 초속 70 km로 분출되는 1만 K 온도의 플라스마를 나타낸다. 별의 주변에 지구와 같은 행성이 있다면, 항성폭풍에 의해 행성의 자기권과 대기권이 손실될 수 있다. (그림의 저작권은 일본국립천문대(NAOJ)에 있음)