우주 방사선의 출발점, 태양 아닌 외부 이온… 중심 가설에 균열

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• 성간 중성 입자의 이온화 및 태양풍 포획
• CME 충격파에 따른 헬륨 이온의 고에너지 가속
• 태양 에너지 입자(SEP)로의 전환과 방사선 위험

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태양은 플라스마 입자를 끊임없이 방출하며 태양풍을 만들어낸다. 이 흐름은 전자와 양성자로 구성되며, 태양계 전역을 따라 퍼져 나가 입자 환경을 형성한다. 그런데 이 흐름 안에는 태양에서 만들어지지 않은 입자들도 섞여 있다. 성간 공간에서 유입된 중성 원자가 태양 자외선을 받으면 전하를 띠고, 태양풍의 자기장에 붙잡혀 새로운 이온이 된다. 이를 픽업 이온이라고 부른다.

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이 가운데 헬륨 픽업 이온은 일반 태양풍 입자보다 빠르게 이동하며, 태양 활동에 더 민감하게 반응한다. 미국 사우스웨스트연구소(Southwest Research Institute) 연구진은 NASA의 STEREO 위성 자료를 이용해, 헬륨 픽업 이온이 태양 활동에 따라 어떻게 가속되는지를 정량적으로 분석했다. 특히 코로나 질량 방출(CME)과 같은 사건이 입자의 속도와 에너지 변화에 어떤 영향을 미치는지를 추적했다. 연구 결과는 학술지 The Astrophysical Journal에 실렸다.

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헬륨 픽업 이온, 태양 활동과의 상호작용

연구소는 여러 CME 사례에서 헬륨 픽업 이온이 태양풍 입자보다 빠른 초기 속도를 갖고 있으며, CME 충격파를 통과하면서 더 큰 에너지를 얻는다는 사실을 확인했다. 이 이온은 태양에서 방출된 입자보다 자기장 변화에 더 강하게 반응했고, 일부는 태양풍보다 두 배 이상 빠른 속도를 기록했다.

 

 

 

미국 사우스웨스트연구소의 오가사와라 케이이치 박사가 주도한 이번 연구는, 헬륨 픽업 이온이 태양 에너지 입자의 주요 원천이라는 점을 보여준다. 이 입자들은 태양 활동이 조용한 시기에도 태양풍보다 두 배 빠르게 이동하며, 코로나 질량 방출(CME)과 같은 태양 충격에 의해 추가로 가속될 경우, 우주복과 우주선을 관통할 수 있는 수준의 방사선 위협을 초래할 수 있다.

[사진=NASA Scientific Visualization Studio / ANIL RAO / University of Colorado / MAVENNA / NASA GSFC]

 

 

연구진은 헬륨 픽업 이온이 CME 충격파, 난류, 자기 구조를 통과하면서 에너지를 얻거나 잃는 조건을 분리해 추적하는 분석 기법도 개발했다. 이를 통해 단순한 확산과 실제 가속 과정을 구별할 수 있게 됐다. 분석 결과, 외부에서 유입된 입자는 구조적으로 가속되기 쉬운 상태에 있었다.

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방사선 입자 형성의 결정 요인

헬륨 픽업 이온은 고에너지 상태에 도달하면 태양 에너지 입자(Solar Energetic Particles, SEP)가 된다. SEP는 우주비행사에게 방사선 노출 위험을 주고, 위성과 항법 시스템에도 영향을 미친다. SEP의 발생 조건을 파악하는 일은 우주 방사선 환경을 예측하고 대응하는 데 핵심이다.

 

 

 

 

이번 연구는 성간 입자가 태양계 내부로 유입된 뒤, 태양 활동에 반응해 고에너지 방사선 입자로 전환되는 물리적 경로를 실제 관측값으로 입증했다. 단순한 이론이 아니라, 입자의 기원, 가속 조건, 에너지 변화가 수치적으로 연결됐다. 연구소는 이 과정을 통해 외부 입자가 우주 방사선 환경의 변수로 작용한다는 사실을 명확히 드러냈으며, 향후 방사선 예측 모델의 정밀도를 높일 수 있는 기반을 마련한 것이다.

 

 

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