'태양 코로나의 빗방울': 새로운 적응 광학 기술로 우리 별 대기의 놀라운 세부 묘사가 드러나다

태양 대기의 가장 바깥층인 코로나는 개기일식 때만 관측 가능하며, 극한의 온도, 격렬한 분출, 그리고 거대한 홍염으로 오랫동안 과학자들의 관심을 끌어왔습니다. 그러나 지구 대기의 난류로 인해 이미지가 흐릿해지고 코로나 관측에 어려움을 겪었습니다. 미국 국립과학재단(NSF) 국립태양관측소(NSO), 그리고 뉴저지공과대학교(NJIT)의 과학자들이 최근 개발한 획기적인 기술은 적응 광학을 이용하여 이러한 흐릿함을 제거하는 것입니다.

네이처 천문학(Nature Astronomy) 에 발표된 이 선구적인 '코로나 적응 광학(coronal adaptive optics)' 기술은 코로나의 미세 구조에 대한 가장 놀랍고 선명한 이미지와 영상을 만들어냈습니다. 이러한 발전은 코로나의 불가사의한 움직임과 우주 기상을 주도하는 과정에 대한 더 깊은 통찰을 가능하게 할 것입니다.

지금까지 공개된 가장 상세한 코로나 이미지

NSF에서 자금을 지원하고 캘리포니아주 빅베어 태양 관측소(BBSO)의 태양-지구 연구 센터(CSTR)가 운영하는 1.6m 굿 태양 망원경(GST)에 설치된 "코나"는 이러한 새로운 이미지를 제공하는 적응 광학 시스템으로, 지구 대기의 난류로 인해 발생하는 흐릿함을 보정합니다. 이는 비행 중에 승객이 느끼는 울퉁불퉁한 공기와 유사합니다.

"공기의 난류는 망원경으로 볼 때 태양과 같은 우주의 천체 이미지를 심각하게 손상시킵니다. 하지만 우리는 이를 보정할 수 있습니다."라고 이 개발을 주도한 NSO 적응광학 과학자 디르크 슈미트는 말합니다.

팀의 주목할 만한 관측 중 하나는 빠르게 재구조화되는 태양 홍염의 영상으로, 미세하고 난류적인 내부 흐름을 드러냅니다. 태양 홍염은 크고 밝은 지형으로, 종종 아치나 고리 모양으로 나타나 태양 표면에서 바깥쪽으로 뻗어 나갑니다.

두 번째 영상에서는 미세 구조의 플라스마 흐름이 빠르게 형성되고 붕괴되는 모습을 재현합니다. "이러한 관측은 지금까지 관측된 것 중 가장 상세한 것으로, 이전에는 관찰되지 않았던 특징들을 보여주지만, 그 특징들이 무엇인지는 아직 명확하지 않습니다."라고 이 연구의 공동 저자이자 NJIT-CSTR 연구 교수인 바실 유르치신은 말합니다. 슈미트는 "이전에는 볼 수 없었던 방식으로 태양을 보여주는 관측 장비를 개발하게 되어 매우 흥미롭습니다."라고 덧붙였습니다.

세 번째 영상에서는 코로나 비의 미세한 가닥들을 보여줍니다. 이는 냉각된 플라즈마가 응축되어 태양 표면으로 다시 떨어지는 현상입니다. NSO 천문학자 토마스 샤드는 지금까지 촬영된 가장 상세한 코로나 비 이미지들을 통해 "태양 코로나의 빗방울은 20km보다 좁을 수 있습니다."라고 결론지었습니다. "이러한 발견은 코로나 과정의 컴퓨터 모델을 시험하는 데 필수적인 새롭고 귀중한 관측 통찰력을 제공합니다."

또 다른 영화는 태양의 자기력에 의해 형성되는 태양의 홍염의 극적인 움직임을 보여줍니다.

태양 적응 광학의 획기적인 발전

코로나는 과학자들에게 알려지지 않은 메커니즘에 의해 태양 표면보다 훨씬 더 뜨거운 수백만 도까지 가열됩니다. 또한 일식 동안 붉은 분홍색으로 보이는 훨씬 더 차가운 태양 플라즈마의 역동적인 현상이 발생하는 곳이기도 합니다. 과학자들은 이 차가운 플라즈마의 구조와 역학을 소규모에서 규명하는 것이 코로나 가열의 미스터리를 풀고, 플라즈마를 우주로 분출하는 폭발에 대한 이해를 높이는 열쇠가 될 것이라고 믿습니다.

우주 날씨란 태양 활동(예: 태양 플레어, 코로나 질량 방출, 태양풍)의 영향을 주로 받는 지구의 근접 우주 환경 조건으로, 지구와 우주의 기술과 시스템에 영향을 미칠 수 있습니다. 필요한 정밀성을 위해서는 이 팀이 개발한 것과 같은 대형 망원경과 적응 광학 시스템이 필요합니다.

GST 시스템인 코나(Cona)는 초당 2,200회씩 끊임없이 모양을 바꾸는 거울을 사용하여 난류로 인한 이미지 저하를 상쇄합니다. BBSO 광학 엔지니어이자 수석 관찰자인 니콜라 고르세(Nicolas Gorceix)는 "적응형 광학은 스마트폰 카메라의 자동 초점 및 광학 이미지 안정화 기능을 강화한 것과 같지만, 사용자의 손떨림이 아닌 대기의 오차를 보정합니다."라고 말합니다.

2000년대 초부터 적응 광학은 대형 태양 망원경에 사용되어 태양 표면의 이미지를 최대한 복원해 왔으며, 이를 통해 망원경이 이론적 회절 한계, 즉 광학 시스템의 이론적 최대 분해능에 도달할 수 있게 되었습니다. 이러한 시스템은 이후 태양 표면 관측에 혁명을 일으켰지만, 지금까지 코로나 관측에는 유용하지 못했습니다. 태양 가장자리 너머의 특징에 대한 분해능은 1,000km 이하에서 정체되었는데, 이는 80년 전에 달성된 수준입니다.

"새로운 코로나 적응 광학 시스템은 수십 년 된 격차를 메우고 코로나 특징의 이미지를 63km 분해능으로 제공합니다. 이는 1.6m 구드 태양 망원경의 이론적 한계입니다." 태양 표면을 위한 최초의 작동 가능한 적응 광학을 구축하고 개발에 동기를 부여한 NSO 수석 기술자인 토마스 림멜의 말입니다.

미래에 대한 의미

코로나 적응 광학(Coronal Adaptive Optics)이 이제 GST에서 이용 가능합니다. 슈미트는 "이 기술 발전은 판도를 바꿀 것입니다. 해상도를 10배 높이면 많은 것을 발견할 수 있을 것입니다."라고 말합니다.

연구팀은 이제 지구 대기권 최하층, 즉 대류권의 해상도 한계를 극복하여 태양 주변 관측에 미치는 영향을 파악했으며, 이 기술을 하와이 마우이에 있는 미국 국립천문국(NSO)이 건설 및 운영하는 4미터 크기의 NSF 다니엘 K. 이노우에 태양 망원경에 적용하기 위해 연구하고 있습니다. 세계 최대 규모의 이 태양 망원경은 태양 대기의 훨씬 더 미세한 부분까지 관측할 수 있을 것입니다.

"전 세계 천문대에 도입될 가능성이 높은 이 혁신적인 기술은 지상 기반 태양 천문학을 재편할 준비가 되어 있습니다."라고 NJIT-CSTR의 저명한 물리학 연구 교수이자 BBSO의 전 소장이자 이 연구의 공동 저자인 필립 R. 굿은 말했습니다. "코로나 적응 광학이 현재 작동 중이므로, 이는 태양 물리학의 새로운 시대의 시작을 알리는 것이며, 향후 수년, 수십 년 동안 더 많은 발견을 약속합니다."

저자는 다음과 같습니다: Dirk Schmidt(NSO), Thomas A. Schad(NSO), Vasyl Yurchyshyn(NJIT), Nicolas Gorceix(NJIT), Thomas R. Rimmele(NSO), Philip R. Goode(NJIT).

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250527124440.htm