VLA가 태양 플레어에 대한 새로운 통찰을 제공하다.

 

 

CREDIT: Alexandra Angelich, NRAO/AUI/NSF.
그림 1> 태양 플레어에 의해 가속되는 입자

 

천문학자들이 태양 플레어가 어떻게 하전입자를 거의 빛의 속도에 육박하는 속도까지 가속시키는지에 대한 기존 이론을 확정하는데 있어, 중요한 진전을 이뤄냈다.
이러한 진전은 국립과학재단 칼 G. 얀스키 초대형 배열(Karl G. Jansky Very Large Array, 이하 VLA) 전파 빛통의 새로운 관측 능력에 의해 가능했다.

 

태양계에서 가장 강력한 폭발이기도 한 태양 플레어는 하전입자를 빛의 속도에 육박하는 속도까지 가속시킨다.
그러나 어떻게 그러한 일이 가능한지는 여전히 불분명한 상태로 남아 있었다.

 

이번 논문의 제1저자인 하바드-스미스소니언 천체물리 센터 빈 첸(Bin Chen)의 설명은 다음과 같다.
"입자의 가속에는 태양 플레어에 의해 생성되는 특정 유형의 충격파가 관여되어 있을 것으로 생각되어 왔습니다.
문제는 이러한 메커니즘에 대해 신뢰할만한 관측적 증거가 존재하지 않는다는 것이었죠.
이번에 한층 개선된 VLA의 성능을 이용하여 이러한 충격파 가속 시나리오를 강력하게 지지한다는, 근본적이고도 새로운 결과를 도출할 수 있었습니다."
 
태양 플레어는 강력한 분출 활동으로서 태양으로부터 상당한 양의 물질이 쏟아져나오는 코로나 질량 분출과 잦은 연관성을 보인다.

 

과학자들은 강력한 자기장의 재구축 및 재연결이 발생할 때 나타나는 갑작스러운 에너지 방출이 이와 같은 분출을 만드는 것으로 생각하고 있다.

그러나 어떻게 자기 현상이 분출로부터 쏟아져나온 하전입자들을 빠른 속도로 가속시킬 수 있는지에 대해서는 과학자들 누구도 명확하게 얘기할 수 없는 상태였다.

 

이번에 VLA에 의해 이루어진 새로운 관측은 플라즈마가 빠르게 흐르면서 플레어가 발생하는 지역에서 가속이 발생한다는 아이디어를 지지하고 있다.

빠르게 흐르는 플라즈마는 고밀도 자기장 고리와 충돌하는 파괴적인 에너지에 의해 발생하며 이로부터 이른바 '말단 충격파(termination shock)'라는 고정된 충격파를 형성시키게 된다.

 

전자가 이 충격파에 의해 반복적으로 난타당하면서 속도가 계속 높아지는 것이다.

VLA의 관측 결과는 이와 같은 현상을 만들어내는데 있어 컴퓨터 시뮬레이션과 매우 흡사한 양상을 보여주었다.  

 

CREDIT: Chen, et al., NRAO/AUI/NSF, NASA.

 

사진 1> 이 플레어는 2012년 3월 3일 발생한 플레어이다.

왼쪽에는 자외선으로 바라본 플레어의 전반적인 모습이 담겨있다. (붉은색과 초록색은 각각 백만도와 천만도의 온도를 보여주고 있다.)

왼쪽 상단에 보이는 흰 얼룩은 플레어 분출과 연관된 것으로서 X선에서 포착된 것이다.

오른쪽 사진은 왼쪽 사진의 박스 부분을 확대한 것으로서 플레어의 세부 모습을 보여주고 있다.

자외선 복사가 붉은색과 초록색으로 표시되어 있다.
고에너지 입자가 만들어낸 전파 복사는 VLA에 의해 관측되었으며 파란색으로 표시되어 있다.

 

과학자들은 다른 자외선 및 X선 빛통들과 함께 VLA를 이용하여 2012년 3월 3일에 발생한 플레어 분출을 연구하였다.

 

VLA는 광범위한 전파 주기로부터 전파사진을 만들어 냈으며 동시에 이를 각각 10밀리초 진폭으로 분할해 냈다.

 

컴퓨터 시뮬레이션에 입각하여 과학자들은 이온화된 전자로부터 짧은 순간 나타나는 라디오파 폭발이 말단 충격파가 존재할 것으로 예상된 지점에서 발생한다는 것을 알 수 있게 되었다.

 

또다른 세부 내용들도 말단 충격파에 의한 가속 모델을 더더욱 지지하고 있다.

 

첸의 설명은 다음과 같다.
"이번 새로운 연구결과는 입자의 가속을 이해하는데 있어서 중요한 한 발을 내디딘 것이라 할 수 있습니다.
이것은 태양 플레어 측면에 있어서도 중요하지만 우주 전역에서 발생하는 근본적 물리적 과정에 있어서도 중요한 내용입니다."

 

1970년대에 제작된 VLA는 1980년 부터 관측작업에 투입되었으며 2001년부터 2012년까지 첨단 기술이 접목되는 개선 작업을 진행하였다.

이제 최첨단 기술로 무장한 VLA는 최초 설계 당시보다 모든 영역에서 개선된 성능으로 과학자들에게 관측 데이터를 제공하고 있다.

 

이번 논문의 공동저자인 티모시 바스티안(Timothy Bastian)은 이번 발견을 이루는데 있어서 VLA의 개선된 관측 능력이 절대적인 영향을 끼쳤다고 말했다.

 

하바드-스미스소니언 천체물리센터의 첸과 쳉카이 셴(Chengcai Shen)은  뉴저지 기술연구소의 바스티안과 데일 게리(Dale Gar), 버클리 대학 및
스위스 노스웨스턴 응용과학 및 예술 대학의 샘 크루커(Sam Krucker), 그리고 버클리 대학 및 미네소타 대학의 린드세이 글레스너(Lindsay Glesener)와 함께 연구를 진행하였다.

이번 연구 결과는 2015년 12월 4일 사이언스 저널에 개재되었다.

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2015년 12월 3일 News Release
        https://public.nrao.edu/news/pressreleases/solar-flare-shocks
         
참고 : 우리별 태양에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346934

 

 

원문>

Embargoed For Release: 2:00 p.m., EST, Thursday, 3 December 2015

VLA Yields New Insights on Solar Flares

Astronomers have made a significant step toward confirming a proposed explanation for how solar flares accelerate charged particles to speeds nearly that of light. This important advance was made possible by the new capabilities of the National Science Foundation's Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) radio telescope.

Solar flares, the most powerful explosions in the Solar System, can accelerate large numbers of charged particles to nearly the speed of light. How they do that, however, has been uncertain.

"It has been thought that a specific type of shock produced by solar flares could be responsible for accelerating these particles, but there has been no convincing observational evidence for this mechanism. Now, using the raw power of the upgraded VLA, we have a fundamentally new result that strongly supports this shock acceleration scenario," said first author of the study, Bin Chen, of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Solar flares are powerful eruptions that often are associated with coronal mass ejections that throw huge amounts of material out from the Sun. Scientists think they are produced by the sudden release of energy when strong magnetic fields reconfigure themselves and reconnect. Researchers were unclear, though, how such magnetic phenomena could propel the high-speed charged particles that emerge from the eruptions.

The new VLA observations support the idea that the acceleration occurs in a region of the flare where fast plasma flows caused by the violent energy release impinge on dense magnetic loops and form a stationary shock, called a "termination shock." Electrons are repeatedly pummeled by the shock into higher and higher speeds. The VLA results closely match computer simulations that produce such a phenomenon.

The scientists used the VLA, along with other telescopes at ultraviolet and X-ray wavelengths, to study a flare that erupted on 3 March 2012. The VLA produced radio images from a broad range of radio frequencies and in time slices of only 50 milliseconds each. The researchers were able to determine that short-lived bursts of radio waves coming from energetic electrons were occuring where the termination shock was expected to be, according to the computer simulations. Other details further supported the termination-shock acceleration model.

"These new insights are a significant step forward in our understanding of particle acceleration, which is not only an important aspect of solar flares, but also a fundamental physical process occurring throughout the Universe," Chen said.

The VLA was constructed during the 1970s and dedicated in 1980. From 2001 to 2012, the VLA was upgraded to incorporate advanced technology that had been developed since its dedication. Now returned to the technological state of the art, the VLA provides scientists with research capabilities vastly improved over its original design.

"The recently upgraded capabilities of the VLA were absolutely essential in establishing this finding," said co-author Timothy Bastian, of the National Radio Astronomy Observatory.

Chen and Chengcai Shen, of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, worked with Bastian, Dale Gary of the New Jersey Institute of Technology, Sam Krucker of the University of California, Berkeley and the University of Applied Science and Arts of Northwestern Switzerland, and Lindsay Glesener, of the University of California, Berkeley and the University of Minnesota. The scientists reported their findings in the 4 December issue of the journal Science.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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