지상 최대 태양 망원경 ‘소용돌이’ 포착…커피에 크림 섞인 것 같네

곽노필의 미래창
지상 최대 태양 관측 망원경 이노우에
역대 최고 해상도 태양 표면 사진 촬영
11년 주기 등 비밀 풀 실마리 될 수도

이노우에 태양 망원경이 촬영한 태양 표면(광구)의 최고 해상도 사진. 태양 표면에 형성된 과립 가장자리에 소용돌이치는 듯한 구조의 형상이 나타난다. 밝은 부분은 상승하는 고온의 플라스마 영역, 어두운 부분은 열을 방출하고 식어서 내려가는 플라스마 영역이거나 과립의 경계 영역이다. 미 국립태양관측소 제공

지상에서 가장 큰 태양 관측 망원경이 태양 표면에서 지금까지 한 번도 관측되지 않았던 미세한 플라스마 소용돌이를 포착하는 데 성공했다. 플라스마란 높은 에너지를 받아 이온화된 기체 상태를 말한다. 태양 폭발 현상과 극심한 ‘우주 날씨’ 변화의 원인을 규명하고 예측의 정확도를 높이는 데 중요한 자료가 될 것으로 기대된다.

미국 국립태양관측소와 독일 막스플랑크태양계연구소 공동연구진은 하와이 마우이섬의 해발 3000m 휴화산 할레아칼라 정상에 있는 ‘다니엘 K. 이노우에 태양 망원경(DKIST)’으로 태양 표면(광구)을 촬영한 결과, 사상 처음으로 수십개의 플라스마 소용돌이 현상을 발견해 국제 학술지 네이처에 발표했다.

지름 4m 크기의 이노우에 망원경은 가시광선과 적외선 영역에서 태양을 관측하는 망원경이다. 이번 사진은 가시광선 영역의 맨끝단인 416nm 파장에서 태양 표면을 약 19km의 공간 해상도로 촬영한 것이다. 이 파장에서 찍은 사진은 푸른색으로 나타나는데, 연구진은 사진 원본을 태양의 상징색으로 통하는 주황색 계열로 갈아 입혀 공개했다.

이노우에 태양 망원경으로 관측한 실제 사진(왼쪽 위)과 컴퓨터 시뮬레이션으로 생성한 합성 이미지(오른쪽 위)를 비교한 것. 두 이미지의 놀라운 일치는 태양 표면의 소용돌이가 켈빈-헬름홀츠 불안정성이라는 물리 현상에 기인한 것임을 보여준다. 미 국립태양관측소 제공

160km 밖에서 개미 보는 수준의 해상도

태양 표면은 흔히 냄비 속에서 끓는 물의 기포처럼 태양 내부 깊은 곳에서 솟아오르는 지름 500~2000km의 커다란 과립들로 가득차 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 지금까지의 기술로는 전체적인 구조만 볼 수 있었을 뿐, 그 안에서 일어나는 미세한 소용돌이는 확인하지 못했다. 이번에 촬영한 사진은 20km 안팎의 초미세 소용돌이까지 선명하게 드러냈다. 연구진은 이를 160km 떨어진 곳에서 개미 한 마리를 식별할 수 있는 수준의 해상도에 비유했다. 소용돌이는 태양의 표면을 빽빽하게 덮고 있는 소위 ‘과립’의 가장자리에서 발생하는데, 이번에 촬영한 과립은 태양 흑점 근처에서 포착됐다.

25~175km 크기인 이 미세 소용돌이는 ‘켈빈-헬름홀츠 불안정성’(Kelvin-Helmholtz instability) 현상으로 인해 발생한다. 켈빈-헬름홀츠 불안정성은 서로 다른 속도로 흐르는 두 유체가 만날 때 경계면에서 파도나 소용돌이 형태의 파동이 생기는 물리적 현상을 말한다. 일상에서는 커피에 크림을 섞을 때 이런 현상을 볼 수 있다. 소용돌이의 이동 속도는 초당 0.67~3.0km으로 측정됐다.

거대한 태양 폭발이 일어나려면 태양 표면의 자기장 선이 복잡하게 꼬이는 과정이 선행되어야 한다. 하지만 지금까지는 자기장 선이 꼬이는 실제 원인이 무엇인지 명확하지 않았다. 이번 발견은 이 질문에 대한 해답의 실마리를 제공한다. 연구진은 “자기장이 충분히 강한 곳이라면 어디든 소용돌이가 끊임없이 발생하는 것으로 보아, 이 소용돌이가 자기장 선의 꼬임을 유발하는 원동력일 가능성이 있다”고 밝혔다. 다시 말해 소용돌이가 태양 폭발을 일으키는 ‘핵심 엔진’일 수 있다는 것이다.

하와이 마우이섬의 해발 3000m 할레아칼라 정상에 있는 이노우에 태양 망원경. 미 국립태양관측소 제공

통신 장애 등 피해 주는 우주 날씨에 영향

과학자들이 이번 발견에 주목하는 이유는 이 소용돌이가 지구 환경에 영향을 미치는 ‘우주 날씨’와 직결돼 있기 때문이다. 태양 표면의 소용돌이는 끊임없이 회전하며 복잡하게 얽힌 자기장 선을 꼬아 놓는 역할을 한다. 이렇게 꼬인 자기력선이 어느 순간 견디지 못하고 고무줄처럼 끊어졌다가 다시 재연결되는 과정에서, 엄청난 양의 플라스마와 방사선이 우주 공간으로 분출된다. 고에너지 입자 및 전자기파가 발생하는 태양 플레어나, 거대한 플라스마 덩어리가 우주로 뿜어져 나오는 코로나질량방출(CME)은 이때 일어나는 현상이다. 이 분출물이 지구로 향해 지구 자기장과 만나면 인공위성 고장, 전력망 마비, 무선 통신 장애 등 심각한 피해를 일으킬 수 있다.

분석 결과 태양 표면의 작은 소용돌이들은 자기장에 갇힌 플라스마와 그렇지 않은 플라스마를 섞어주는 것으로 나타났다. 이는 자기장이 표면에서 태양 대기로 빠르게 확산시키는 역할을 한다. 연구진은 지름이 지구의 109배나 되는 거대한 태양이 11년이라는 짧은 기간의 활동 주기를 갖는 것이 바로 소용돌이의 이런 역할 때문일 수 있다고 밝혔다.

연구진은 이와 함께 이번 발견이 태양의 외곽 대기층인 코로나가 5500도인 표면 온도보다 수백배 더 뜨거운 ‘코로나 가열’의 수수께끼를 푸는 데도 도움이 될 것으로 기대한다.

*논문 정보

Ubiquitous Kelvin–Helmholtz instabilities driving plasma mixing on the Sun. Nature (2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10871-3

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr