플라스마 열역학 뒤흔든 구조…‘헬리시티 장벽’ 직접 관측

• 파커 탐사선, 태양풍 내부 난류 차단 구조 관측
• 플라스마 에너지 전이 경로를 가로막는 물리 구조
• 코로나 과열·태양풍 가열의 직접적 원인 가능성

태양의 겉은 약 6,000도지만, 그 바깥 대기인 코로나는 수백만 도까지 치솟는다. 또 태양에서 방출된 플라스마 입자, 즉 태양풍은 중력을 거슬러 점점 더 가속된다. 에너지원에서 멀어질수록 온도는 떨어지고, 입자는 감속된다는 상식을 뒤엎는 이 두 현상은, 수십 년간 해결되지 않은 태양물리의 대표적 난제였다.

그러나 최근, 이 과정을 가로막는 난류 장벽의 존재가 실제로 관측되면서, 플라스마 에너지 흐름을 결정짓는 핵심 구조가 드러났다.

영국 퀸메리 런던대학교 연구팀은 NASA의 파커 태양 탐사선(Parker Solar Probe)이 태양 대기 안쪽을 통과하며 수집한 데이터를 분석해, ‘헬리시티 장벽(helicity barrier)’이라는 물리 구조를 태양풍 내부에서 처음으로 직접 확인했다고 밝혔다. 이 장벽은 플라스마 난류가 열로 전환되는 경로를 차단하며, 고온 코로나와 태양풍 가속 현상을 동시에 설명할 수 있는 새로운 메커니즘으로 주목받고 있다. 연구 결과는 물리학 저널 Physical Review X에 게재됐다.

난류 에너지 흐름을 차단하는 물리적 구조

태양 가까이의 플라스마는 입자 간 충돌이 거의 없는 희박한 상태로, 고전적인 열전달 방식이 작동하지 않는다. 지금까지는 난류 에너지가 점점 작은 스케일로 전달되며 열로 바뀐다고 여겨졌지만, 이러한 설명만으로는 태양 대기의 온도 역전과 태양풍의 비정상적 가열을 모두 설명하기엔 부족했다.

이번 연구는 헬리시티 장벽이 난류의 에너지 전이를 차단함으로써, 에너지가 열로 소산되는 경로 자체를 바꾼다는 사실을 확인했다. 이 장벽의 존재는 특히 양성자가 전자보다 더 높은 온도를 갖는 태양풍의 열 구조도 설명할 수 있게 해준다. 관측은 태양 대기 내부에서의 실제 데이터에 기반했기 때문에, 이론적 추정이 아닌 물리적 실재로서의 장벽이 입증된 셈이다.

장벽 형성 조건과 우주적 확장 가능성

헬리시티 장벽은 특정 조건에서 형성된다. 자기장이 플라스마 압력보다 우세하고, 난류를 이루는 반대 방향의 플라스마 파동 간 에너지 불균형이 클 때 이 구조는 뚜렷하게 나타난다. 연구진은 이러한 조건이 태양풍 근처에서 자주 충족된다는 점에 주목했다. 실제로 파커 탐사선이 관측한 지역은 이런 특성을 반복적으로 보였으며, 이 장벽이 태양 대기에서 널리 작동하고 있을 가능성을 뒷받침한다.

연구를 이끈 크리스토퍼 첸(Christopher Chen) 박사는 “이 구조는 고온 코로나, 태양풍의 온도 분포, 스트림 간 온도 차 같은 미해결 문제들을 하나로 묶어 설명할 수 있는 결정적 고리”라며, “난류의 미시적 성질과 전 태양권 규모의 물리적 흐름을 연결하는 데 핵심적인 역할을 한다”고 밝혔다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: J. R. McIntyre et al, Evidence for the Helicity Barrier from Measurements of the Turbulence Transition Range in the Solar Wind, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.031008

자료: Physical Review X /  Queen Mary, University of London