태양계 최대의 입자가속기 '목성 자기권'

Gemini North Infrared View of Jupiter. source:https://noirlab.edu/public/images/noirlab2116a/

목성 주변의 우주공간은 강한 목성의 자기장으로 채워져 태양계 내 최대의 입자가속기가 되었다. 그 입자들이 어떻게 높은 에너지를 획득하고 있는지, 목성의 강력한 자기장에 둘러싸인 영역(목성 내부 자기권)에 있어서 고온의 전자가 목성을 향해 흐르고 있다는 증거를 '히사키'의 관측에 의해 세계에서 처음으로 파악했다. 이것은 전통적인 학설을 뒷받침하는 중요한 증거이다.

목성은 지구의 1000배 이상의 강한 자기장을 가지고 있는데 이 자기력선은 목성 주변의 우주공간을 채우고 목성 자기권을 형성하고 있다. 그 목성 자기권은 우리 태양계에서 가장 큰 입자가속기로 알려져 있다. 실제로 목성 본체에 가까운 내부 자기권에는 방사선 대역이라는 고에너지 전자가 차인 영역이 있다. 그러나 이 영역에서의 전자가속의 메커니즘은 통일적으로 이해되지 않았고 태양계 플라즈마 물리에 대한 논쟁이 계속되었다.

이 문제에 대한 유력한 학설은 다음과 같다. 첫째, 목성 자기권의 외부 영역에는 고온 전자가 있다. 이러한 전자가 자기장의 약한 외부 영역에서 자기장의 강한 내부 영역으로 이동하면 특정 전자기파가 여기된다. 이 웨이브는 공명과정을 통해 전자를 더욱 가속하고 방사선 대전자의 에너지에 도달한다. 이 과정이 정상적으로 계속됨으로써 목성 방사선대가 성립·유지된다는 것이다.

Credit: rawpixel.com Source:https://www.ncsa.illinois.edu/from-planets-to-galaxies-and-gravitational-waves/

여기서 열쇠가 되는 것이 전자기파를 여기시키는 전자가 충분히 있는지 즉 자기장의 약한 영역으로부터 강한 영역으로 고온 전자가 효율적으로 수송되느냐는 것이다. 자기장은 장벽처럼 행동하는 성질을 가지고 있으며 자기장이 강한 영역으로 전자를 운반하는 것은 쉽지 않다. 그러므로 이 논쟁에 종지부를 찍기 위해서는 목성 자기권의 바깥에서 안쪽으로 향하는 전자를 관측적으로 포착하는 것이 결정적으로 중요하다.

목성 자기권의 전자의 측정에는 그 곳에 탐사기를 보내고 직접 관측하는 수단도 있다. 이것은 탐사기 위치에서 상세한 정보를 제공하는 반면 어느 공간 범위에서의 운송과정을 지속적으로 관측하고 싶은 경우에는 적합하지 않은 면도 있다. 고온 전자의 대국적인 양상을 포착하기 위해서는 원격관측이 더 좋을 수 있다. 그러나 고온 전자를 직접 원격촬영할 수는 없다. 따라서 원격관측에서 간접적으로 전자밀도와 온도를 도출하는 수단이 필요하다.

히사키에는 내부 자기권에 존재하는 '이오플라즈마 토러스'를 스크린으로서 이용했다. 목성 위성 중 하나인 이오는 목성 중심에서 약 6목성 반경만큼 떨어진 궤도 위를 돌고 있다. 이오에는 활화산이 있으며 가스를 우주공간으로 방출하고 있다. 화산가스는 우주공간에서 이온화되어 목성의 자기장에 포착되어 이오의 궤도를 따라 도넛 모양으로 분포한다(이오플라즈마 토러스). 이 토러스를 구성하는 이온(황, 산소 등)은 주위의 고온 전자와의 충돌여기로 인해 복수의 휘선으로 발광한다. 이러한 휘선의 모습을 조사함으로써 여기원인 고온 전자의 온도와 밀도를 알 수 있다. 이 분석방법은 스펙트럼 진단이라고 불리며 원격관측에서 대국적인 전자온도와 밀도를 도출하는 획기적인 방법이다.

Jupiter Moon Transit Source:https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Jupiter_Moon_Transit.jpg

이오플라즈마 토러스가 발하는 휘선의 대부분은 극단자외선(Extreme ultraviolet: EUV) 파장영역에 있다. 엡실론 로켓시험기에 의해 발사된 히사키에는 EUV 파장영역의 관측에서 고파장, 공간분해능, 고검출 효율을 실현해 한층 더 행성 전용의 우주망원경으로서 지속적으로 행성관측을 계속할 수 있다는 점에서 전례가 없는 특징을 가지고 있으며 이오플라즈마 토러스에 관해서도 지금까지 없었던 고정밀도의 스펙트럼 진단을 가능하다.

본 연구에서는 히사키가 취득한 목성 자기권의 EUV 데이터에 대해서 스펙트럼 진단을 적용했다. 그 결과 이오플라즈마 토러스에는 외부 자기권 기원의 고온 전자가 수 %의 비율로 존재하는 것으로 밝혀졌다. 또한 그 공간분포로부터 자기권의 외측으로부터 내측을 향해 고효율로 전자의 수송이 일어나고 있다는 것을 알 수 있었다. 이것은 목성 방사선대의 형성·유지에 필요한 고온 전자 수송의 증거를 세계에서 처음으로 파악했다는 것이다.

이 운송은 어떻게 일어나고 있는지에 대한 이번 관측은 이오플라즈마 토러스를 스크린으로서 활용했다. 그렇게 얻은 결과로부터 이오플라즈마 토러스가 있기 때문에 고효율의 수송이 구동되었고 그것이 목성을 태양계 최강의 입자가속기로 만들고 있는 것으로 추정된다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 太陽系最大の粒子加速器（木星磁気圏）を解剖する
https://www.jaxa.jp/press/2014/09/20140926_hisaki_j.html