전하를 가진 입자로 이루어지는 기체를 플라즈마라고 합니다. 태양은 플라즈마의 덩어리입니다. 또한 우주에 존재하는 규명된 물질의 대부분은 플라즈마 상태에 있다고 합니다.
태양은 전기가 통하는 기체
태양은 수소와 헬륨으로 구성된 기체의 덩어리입니다. 다만 지구 대기와 같은 통상의 기체와는 달리 전기가 통과하기 쉽다는 성질을 가집니다. 즉 전기저항이 굉장히 작다는 것입니다. 이 성격은 태양에서 일어나는 현상을 생각하는데 있어서 가장 중요합니다.
예를 들어 우리 주변의 지구 대기는 기본적으로 전기가 통과하지 않습니다. 뇌운이나 정전기가 모인 문손잡이에 손가락을 가까이했을 때 큰 전압에 순간적으로 번개 같은 방전현상이 일어납니다. 이것은 예외적인 현상이며, 평소 우리 주위를 전류가 날아다니는 것은 아닙니다. 그러나 태양을 구성하는 기체에서는 쉽게 전류가 발생합니다.
일상적인 온도에서의 수소는 물의 전기분해에 의해 생성되고 불을 붙이면 폭발하는 기체입니다. 헬륨은 공중에 떠 있는 풍선에 들어가거나 들이키면 목소리가 높아지는 놀이용 상품에 포함되어 있는 기체입니다.
이 기체는 수소분자와 헬륨원자가 많이 날아다니는 상태입니다. 이 입자들은 원자핵의 전하를 상쇄하는 수의 전자를 묶고 있기 때문에 전하를 갖지 않는 중성입자입니다.
수소분자와 헬륨원자는 온도가 높아지면 묶여 있던 전자를 놓아 양의 전하를 가진 입자로 존재하게 됩니다. 또한 놓아진 전자는 음전하를 가진 독립적인 입자로 운동합니다. 이것을 이온화(ionization)라고 합니다.
어느 온도에서 전리하는지는 기체의 밀도도 관련 있기 때문에 일반적으로는 말할 수 없지만, 태양 내부나 코로나의 환경에서는 대부분의 입자가 전리된 상태로 존재하고 있습니다. 태양 표면 부근은 약 6000K이므로 일부 수소만이 전리된 상태로 존재하고 있습니다.
이와 같이 태양은 전하를 가진 입자(하전입자)를 포함하는 기체이며 플라즈마(plasma)의 일종입니다. 특히 태양 내부나 코로나와 같이 대부분의 입자가 전리된 상태의 플라즈마를 완전 전리 플라즈마(perfectly/fully ionized plasma)라고 합니다. 대조적으로 태양 표면과 같이 대부분의 입자는 중성이고 일부 입자만이 전리하는 플라즈마를 부분 전리 플라즈마(partially/weakly ionized plasma)라고 합니다.
플라즈마는 우주에 보편적으로 존재합니다. 태양은 전형적인 예이며 지구에 사는 우리가 상세히 관찰할 수 있는 귀중한 계입니다. 태양 연구는 플라즈마 물리학의 발전에 크게 기여해 왔습니다.
태양은 양이온과 (독립)전자로 이루어져 있습니다. 어떤 순간에도 각 입자는 멋대로 움직입니다. 각 입자가 가지는 속도를 많은 입자에 대해 평균한 값을 기체의 유속이라고 합니다. 상세하게는 입자의 질량으로 가중한 평균입니다. 태양의 경우 양이온의 질량은 전자의 1000배 이상 크기 때문에 거의 양이온의 평균속도가 기체의 유속이라고 합니다.
한편 양이온의 평균속도와 전자의 평균속도에 차이가 있을 경우, 거기에는 '전류가 존재한다'라고 말합니다. 즉, 전자의 평균속도로 이동하는 관측자로부터 본 양이온의 평균속도는 전류입니다.
기체에 전류가 흐르면 그 주변에는 자기장이 존재해야 합니다. 암페르의 법칙입니다. 자기장 안을 기체가 흐르면 전자유도에 의해 자기장의 모습은 변화합니다. 또 자기장과 전류가 존재하면 각 입자가 받는 로렌츠력
의 합계로서의 힘을 기체가 받게 됩니다. 이와 같이 플라즈마에서는 물질 입자의 집단(기체)과 전자기장이 항상 복잡한 상호작용을 하고 있습니다.
태양을 생각할 때는 고등학교에서 배우는 역학의 연장에 있는 유체역학 이론과 전자기학의 이론이 필요합니다. 태양물리학에서는 이러한 이론을 융합시킨 자기유체역학(MHD)이라는 이론을 사용하여 관측되는 현상을 설명하게 됩니다. 반대로 이러한 기초이론이 태양의 경우에도 적용될 수 있는지를 확인하는 장소이기도 합니다.
우리 주변의 플라즈마
대표적인 예는 형광등입니다. 점등 중의 형광등의 내부에서는 봉입된 희가스가 전리되어 전류가 흐르고 있습니다. 그 밖에도 용접이나 집적회로의 각인과 같은 공업 용도로 플라즈마(방전현상)가 이용되는 경우도 있습니다.
자연현상에서 발생하는 플라즈마의 대표적인 예는 번개입니다. 낙뢰는 초 정도의 짧은 시간 스케일로 일어나는 현상입니다. 아래의 영상은 플로리다 공과대학이 YouTube에 업로드한 동영상입니다. 낙뢰의 모습이 슬로우 모션으로 포착되었습니다.
Lightning Storm Recorded at 7000 Frames Per Second
https://www.youtube.com/watch?v=QUIpltFo_fg
구름의 바닥에 음전하가 쌓이면 지면 사이에 고전압이 발생합니다. 그러면 구름 바닥에 존재하는 전자의 일부가 지면을 향해 고속으로 흐르기 시작합니다. 전자는 즉시 대기를 구성하는 질소분자 또는 산소분자
와 충돌하며 전자는 점점 증식해 갑니다. 고속의 전자에 부딪힌 대기는 온도를 올려 가고, 수천 K가 되면 부분 전리 플라즈마라는 상태에 접근해 갑니다. 이것이 구름에서 지면을 향해 빛이 늘어나는 단계의 상태입니다. 늘어나는 빛(전구방전, leader) 영역에서는 이온과 전자의 수가 늘어나기 때문에 전기저항이 작아지고 대기 중에 전류가 통과하기 쉬운 길이 형성되어 갑니다. 이윽고 전구방전이 지면에 가까워지면, 이른바 지면과 구름이 통전된 상태가 되어 지면에서 구름을 향해 수만 암페어의 대전류가 흐릅니다(return stroke). 전류가 흐르는 영역은 소위 줄열에 의해 수만 K의 고온이 되어 대기는 팽창해 천둥이 울리고 격렬한 섬광(번개)이 보입니다. 이 단계가 되면 부분 전리 플라즈마라고 할 수 있는 상태가 됩니다. 번개는 대기가 전리하여 발생한 플라즈마에서 나오는 빛입니다.
또 하나는 차세대의 전력원의 후보로서 진행되고 있는 열핵융합로의 연구도 플라즈마 물리학의 발전에 크게 공헌해 왔습니다. 자기장을 조종함으로써 고온 플라즈마를 안정적으로(에너지 손실이 적게 하도록) 장시간 융합로에 가두기 위한 연구가 이루어지고 있습니다.
양자과학기술연구개발기구(ITER)에서는 도넛형(토카막형)의 진공용기 내에 초전도 코일을 사용하여 10테슬라의 강력한 자기장을 생성하고 플라즈마를 가둡니다. 이것은 플라즈마가 자력선에 수직인 방향으로 움직일 수 없다는 성질을 이용한 장치입니다.
자력선의 "바구니" 안에는 중수소 이온과 삼중수소 이온, 전자로 구성된 플라즈마가 주입되고 1억 K 이상의 온도로 가열됩니다. 플라즈마를 충분한 시간(수백초 정도) 자력선 내에 가두어 둘 수 있으면 반응이 일어날 것으로 예상됩니다. 이 반응에서는 반응 전의 두 입자가 가지고 있던 질량의 일부가 반응 후의 두 입자가 가지는 운동에너지로 변환됩니다.
후에는 blanket에서 발생한 열을 이용하여 탕을 끓여 그 증기의 압력으로 터빈을 돌려서 발전합니다. 정리하면 중수소와 삼중수소가 헬륨으로 변할 때 발생하는 잉여에너지를 이용하여 발전하는 구조입니다.
우주의 플라즈마
암흑물질을 제외하면 우주공간에 존재하는 물질의 90% 이상은 플라즈마 상태에 있다고 합니다. 또한 우주에는 자기장도 보편적으로 존재합니다. 망원경에서 관찰되는 수많은 현상은 종종 자기장과 플라즈마의 상호작용이 중요한 역할을 하는 것으로 보입니다. 따라서 이 우주를 생각할 때는 플라즈마에 대한 이해를 빠뜨릴 수 없습니다.
▣ 전리권
지상 대기는 중성입자로 구성된 중성 기체이며 플라즈마가 아닙니다. 이것은 온도가 낮고 밀도가 높기 때문입니다. 한편 지구 주위의 우주 공간에서는 플라즈마가 주역이 됩니다. 반대로 온도가 높고 밀도가 낮기 때문입니다.
이 의미에서 대기와 우주의 경계에 해당하는 것이 전리권(ionosphere)입니다. 이것은 고도 60에서 800km 정도의 층에 존재합니다. 참고로 에베레스트의 높이는 8.8km, 구름의 고도는 수 km에서 10km 정도입니다. 대기는 전리권에서 전리하고 있어 이것보다 위에서는 플라즈마가 장의 역학에 깊이 관여해 오는 영역이 됩니다. 덧붙여서 국제우주정거장(ISS)은 고도 400km의 전리권 안을 날고 있습니다.
낮에 태양광이 지구 대기에 쏟아지면 그 안의 자외선이나 X선이 대기성분과 충돌함으로써 대기 중에는 다양한 입자종이 존재하게 됩니다. 이러한 반응의 발생 가능성은 대기의 밀도 등에 따라 변화하기 때문에 고도에 따라 다른 종류의 하전입자가 존재합니다.
다양한 반응에 의해 하전입자와 함께 생성되는 산소원자는 예를 들어 파장 557.7nm(녹색) 또는 630.0nm(적색)의 빛을 방출합니다. 다른 입자종도 각각 고유의 색을 발합니다. 이 때문에 전리권을 포함한 고층 대기는 다양한 색으로 빛나 보입니다. 이를 대기광(airglow)이라고 합니다.
▣ 지구자기권
태양 코로나로부터는 항상 태양풍이라고 불리는 플라즈마(양성자나 전자, 헬륨 이온의 집단)가 바깥으로 분출하고 있어 지구 주위의 행성 간 공간도 채워집니다.
지구는 지자기라고 불리는 자기장을 가지고 있습니다. 지자기의 자력선은 남반구에서 나와서 루프를 그리며 북반구에 꽂히고 있습니다. 플라즈마는 자력선과 수직방향으로 움직이기 어렵다는 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에 태양풍에 의해 지자기의 자력선이 휘어짐과 함께 태양풍은 방향을 바꿀 수 있습니다. 이렇게 하여 지구 주위에는 지자기라는 "우산"에 의해 태양풍으로부터 지켜진 공간이 되었습니다. 이것을 자기권(magnetosphere)이라고 합니다. 자기권은 태양과 반대방향으로 긴 꼬리를 가진 모양입니다.
자기권의 각 장소에는 다양한 온도, 밀도의 플라즈마(전자와 양이온의 집단)가 존재하고 있습니다. 지자기가 막히지 않고 자기권에 들어가 버린 태양풍 유래의 플라즈마와 전리권으로부터 공급되는 플라즈마로, 자기장과의 상호작용의 결과, 자기권에는 다양한 종류의 전류가 존재하고, 플라즈마의 흐름도 있습니다.
▣ 목성형 행성
목성과 토성은 지자기와 마찬가지로 고유의 자기장을 가지며 자기권을 형성합니다. 특히 목성은 태양계 행성에서 가장 강한 자기장을 가지고 있습니다.
목성과 토성은 자기권 안에 위성을 가지고 있습니다. 예를 들어 목성의 위성 이오는 화산활동을 하고 있고 그것에 의해 방출된 산소나 황을 기원으로 하는 플라즈마가 토성의 고리와 같은 환상으로 자기권을 채우고 있습니다. 이 플라즈마는 목성의 자력선에 대해서 크게 움직일 수 없기 때문에, 목성의 자전(주기 10시간)과 함께 주위를 돌고 있습니다. 이것은 목성 자기권에 다양한 현상을 일으킵니다.
그 중 하나는 오로라입니다. 목성의 극역에서도 지구와 마찬가지로 오로라가 관측되는데 지구와는 다른 원리에 의해 발생하고 있다고 생각되고 있습니다.
위 사진에 담긴 오로라는 여러 구조를 가지고 있습니다. 점 모양의 빛은 목성이 가진 위성의 발자국을 나타 냅니다.
태양 내부의 구조(밀도나 온도 등)는 몇 %의 정밀도로 알고 있습니다. 그에 비해 목성이나 토성과 같은 행성의 내부구조는 아직 잘 모르는 부분이 많습니다. 이 문제를 어렵게 만드는 요인 중 하나는 이러한 행성이 액체와 같은 상태에 있다는 것입니다.
목성과 토성은 지구와 유사한 형태(남북 방향의 쌍극자 형)의 자기장을 가지고 있습니다. 이것으로부터 목성형 행성 중에서도 지구나 태양과 같이(구체적인 양식은 다르지만) 다이나모 이론이 작동하고 있다고 생각되고 있습니다. 다이나모 이론이란 전기가 통하는 유체의 흐름에 의해 자기장이 만들어지는 것이라는 학설입니다. 지구의 경우 외핵(녹은 철과 니켈), 태양의 경우 대류층에서 이 메커니즘이 작동하고 있다고 생각됩니다. 즉, 목성형 행성의 내부도 전기를 통과하기 쉬운 상태가 되어 있을 것으로 추정됩니다.
목성과 토성은 태양과 마찬가지로 수소와 헬륨이 주성분입니다. 그러나 이러한 행성은 태양에 비해 온도는 현저히 낮지만 밀도는 그다지 낮지 않은, 온도에 비해 밀도가 높은 상태에 있습니다. 이 때문에 이러한 원소는 태양과 같이 전리된 기체의 상태가 될 수 없으며 대신 금속화된 액체와 같은 상태로 존재하고 있다고 생각됩니다.
좁은 의미로는 기체와 같은 상태, 즉 입자들이 주위의 입자에 강하게 묶이지 않고 자유롭게 날아가는 상태를 플라즈마라고 합니다. 그러나 목성 내부처럼 입자들이 주변 입자와 강한 쿨롱력으로 묶이면서 전체적으로는 유동적으로 행동하는 상태를 강결합 플라즈마(strongly coupled plasma)라고 보기도 합니다.
목성 내부의 상태를 자세히 논의하려면 상태 방정식을 계산해야 합니다. 상태 방정식은 물질의 압력과 밀도, 온도 사이의 관계입니다. 태양의 경우 많은 입자의 통계적 특성을 다루는 이론(통계역학)에 의해 좋은 정확도로 계산됩니다.
목성 내부의 상태 방정식의 경우는 통계역학에 의해 좋은 정밀도의 계산을 할 수 없기 때문에, 많은 입자에 대한 슈레딩거 방정식(양자역학)에 어떠한 단순화를 실시해 풀어서 전자의 운동을 순차적으로 쫓는 수법 (제1원리계산, ab-initio calculation)이 취해집니다. 이것은 컴퓨터의 가속화에 의해 가능해져 온 기법인데 실시하는 단순화에 결과가 의존하는 일도 자주 있습니다. 이 불확실성은 목성 내부의 상태 추정을 어렵게 만드는 원인입니다.
2016년에 목성의 주위 궤도에 투입된 NASA의 탐사기 Juno는 지금까지 없는 정확도로 목성의 중력을 측정했습니다. 관측된 중력의 구대칭으로부터의 어긋남의 정보로부터 목성 내부의 상태에 대한 지견을 얻었습니다. 구체적으로는 전술한 방법으로 계산된 상태 방정식을 포함한 유체역학적 모델을 사용하여 목성 내부의 상태와 관측되어야 할 중력을 계산하고 실제 관측결과와 비교합니다.
이러한 연구의 결과, 현재 추측 중인 목성 외부층은 수소가 전기를 통하지 않는 액체로 존재하고 안쪽으로 가면 전기를 통과하는 액체로 변화합니다.
양자의 경계의 0.8 목성 반경 정도의 영역에서는 수소와 헬륨이 혼합 상태로 존재하지 않을 가능성이 있습니다. 마치 물과 기름처럼 분리되고 수소 속을 더 무거운 헬륨이 비처럼 쏟아질 수 있습니다. 이 현상을 헬륨 레인(helium rain)이라고 합니다.
목성은 중원소(수소나 헬륨 이외의 원소)를 많이 포함하고 있기 때문에 중심에는 암석이나 얼음으로 만들어진 핵이 존재하고 있을지도 모릅니다. 그러나 Juno의 관측결과에 근거한 최근의 연구에서는 핵과 금속수소의 경계는 분명하지 않고, 중심에 갈수록 연속적으로 무거운 원소의 함유율이 증가해 가는 구조로 되어 있을지도 모른다고 합니다.
▣ 태양권
태양풍은 태양 부근에서 400 - 800km/s 정도까지 가속된 후 그 속도를 유지한 채 해왕성의 궤도(30au) 보다 멀리까지 방사형으로 불고 있습니다.
고속의 태양풍은 태양으로부터 90au 정도의 거리에서 흐름이 약해지고 급격하게 속도를 떨어뜨립니다. 이 구형의 면을 종단 충격파(termination shock)라고 합니다.
태양은 주위를 둘러싼 국소 성간구름(local interstellar medium)이라고 불리는 기체 덩어리에 대해 25km/s 정도의 상대운동을 하고 있습니다. 즉, 태양 시점에서는 국소 성간구름이 그 정도의 속도로 불고 있습니다. 이것은 부분적으로 이온화된 플라즈마(수소, 수소이온, 전자 등의 집단)입니다.
국소 성간구름과 감속한 태양풍이 섞이는 경계를 태양권 계면(heliopause)이라고 합니다. 그리고 태양 유래의 물질과 국소 성간구름의 상호작용의 결과로 생기는 일련의 구조를 태양권(heliosphere)이라고 합니다. 태양권에는 태양 자전의 결과로써 나선형의 자력선(Parker Spiral)이 존재합니다. 한편 국소 성간구름도 자기장을 가지고 있습니다. 태양권 계면에서는 같이 얽혀 Parker Spiral은 하류로 뻗어 있을지도 모릅니다.
NASA의 탐사기 보이저 1호는 2004년에 태양으로부터 94au의 거리에서 종단 충격파를 횡단했습니다. 이어서 2007년 보이저 2호가 84au 거리에서 종단 충격파를 가로질렀습니다. 이 두 탐사기는 각각 다른 방향을 향해 태양으로부터 멀어지면서 지금도 태양권 계면 부근의 자기장이나 플라즈마의 성질을 측정하고 있습니다.
보이저의 현장관측이나 2008년에 발사된 NASA의 관측위성 IBEX에 의한 고속 중성입자(ENA)의 관측데이터 등으로부터 태양권 계면 부근의 모습은 지금까지 생각했던 것보다 복잡하다는 것을 알게 되었습니다.
앞에서 언급했듯이 플라즈마(하전입자)는 기본적으로 자력선에 수직인 방향으로 움직일 수 없습니다. 한편, 국소 성간구름의 중성원자(수소)는 자기장으로부터 힘을 받지 않기 때문에 자력선을 가로질러 태양권에 침입합니다. 그러면 태양풍의 수소이온과 전하를 교환하는 반응을 일으킵니다.
이 반응으로 생성된 수소이온의 집단은 국소 성간구름 유래의 것이므로, 태양풍과는 다른 온도를 가지고 있습니다. 이러한 메커니즘이 곳곳에서 일어나는 것에 의해 태양권이나 주위의 국소 성간구름에서는 다른 성질을 가진 복수의 입자집단이 공존하고 있고 이것이 문제를 어렵게 만듭니다.
태양권은 바깥쪽에서 보고 모양을 확인할 수 없지만, 밤하늘에 떠 있는 다른 항성이 만드는 항성권 (astrosphere)이라면 볼 수 있습니다. 예를 들어 오리온 대성운(Orion Nebula)은 지구에서 보면 오리온자리에 위치하고 있으며, 인공광이 적은 장소라면 육안으로 흐릿하게 보입니다.
오리온 대성운 안에 있는 LL Ori라는 항성이 만들어내는 항성권의 모습입니다. LL Ori가 발하는 항성풍(stellar wind)과 성운의 기체와의 사이에 호 모양의 충격파가 생기는 모습이 비치고 있습니다. 이것을 뱃머리충격파(bow shock)라고 합니다. 선박의 진행방향으로 생기는 선수파(bow wave)와 비슷한 현상입니다. 자기권도 태양방향으로 뱃머리충격파를 가집니다.
▣ 펄서 성운
비교적 유명한 천체인 게 성운(Crab Nebula)은 지구에서 보면 황소자리에 위치하고 있습니다. 황소자리는 겨울의 대육각형을 구성하는 Aldebaran을 포함한 별자리입니다.
게 성운은 펄서 성운(pulsar wind nebula)이라고 불리는 종류의 천체입니다. 엑스레이 또는 자외선의 이미지에서는 성운의 중심에 점 모양의 빛이 보입니다. 이것은 중성자별(neutron star)이라는 종류의 별이며, 게 성운의 원천입니다. 중성자별은 태양과 같은 정도의 질량이 반경 10km 정도로 줄어든 초고밀도의 천체입니다.
1054년에 지금의 성운의 장소에 있던 항성이 초신성 폭발(supernova explosion)을 일으켰습니다. 이 때는 지구에서도 매우 밝게 보였고 중국의 고문서에는 낮에도 금성처럼 볼 수 있었다고 기록되어 있습니다.
별의 대부분은 폭발로 날아가 주위로 퍼져갑니다. 동시에 별의 중심핵은 수축하고 중성자별이 그 자리에 남게 됩니다. 따라서 중성자별은 전자와 수소이온을 주성분으로 하는 플라즈마(초신성 잔해, supernova remnant)로 채워집니다. 게 성운의 중성자별은 0.03 초의 주기로 격렬하게 자전하고 펄스 모양의 빛을 발산하고 있습니다. 이러한 중성자별을 펄서라고 부릅니다.
태양은 태양풍을 주위로 뿜어내고 있지만, 펄서는 펄서풍이라고 불리는 거의 광속의 플라즈마의 바람을 주로 적도 방향으로 발산하고 있습니다. 이것은 중성자별의 표면 부근에서 쌍생성된 전자와 양전자(전자의 반물질, 양의 전하를 가짐)를 주성분으로 하는 플라즈마라고 생각되고 있습니다.
분출한 펄서풍은 이윽고 종단 충격파를 형성해 속도가 약해지지만 바깥쪽으로 흘러 주위의 초신성 잔해를 침식하며 펄서 성운을 만들어 냅니다. 자전축 방향에는 제트라고 불리는 흐름도 발생하는데 X선 이미지에서 뻗어있는 제트를 볼 수 있습니다. 또한 제트와 수직인 방향으로 링 형상의 구조도 몇 가지 보이고 그 중 가장 안쪽의 링이 종단 충격파라고 생각되고 있습니다.
펄서 성운과 그 주위를 둘러싼 초신성 잔해에서는 후자 쪽이 밀도가 높습니다. 이것은 가벼운 기체 위에 무거운 기체가 타고 있는 것이기 때문에 초신성 잔해는 뿌리를 늘리듯 중성자별을 향해 떨어질 것이라고 생각됩니다. 이것이 가시광선 이미지에서 눈에 띄게 보이는 네트워크 구조라고 생각하는 연구원도 있습니다.
펄서풍이나 제트는 광속에 가까운 속도를 가지기 때문에, 게 성운의 연구에는 특수상대성이론을 고려한 자기유체역학 방정식 시스템이 사용됩니다.
▣ 백색왜성
밤하늘에 빛나는 천체 중에는 백색왜성(white dwarf)이라는 종류의 별이 있습니다. 어둡기 때문에 육안으로는 보이지 않습니다. 예를 들어 밤하늘에서 가장 밝게 빛나는 항성인 큰개자리(the Great Dog)의 시리우스는 연성계를 이루고 있습니다. 연성은 두 별이 서로 주위를 돌고 있는 상태인데, 육안으로 밝게 보이는 별이 시리우스 A, 나머지가 시리우스 B라는 백색왜성인 것으로 알려져 있습니다.
백색왜성은 태양의 100억 년 후의 모습입니다. 현재의 태양은 중심부에서 수소를 소비하여 헬륨을 생성하는 핵융합 반응이 일어나고 있습니다. 핵융합 반응에 의해 중심부의 수소는 점점 줄어들어 약 50억 년 후에 고갈됩니다. 그러면 태양은 현재와 같은 열적 균형을 유지하지 못하고 지금의 2000배 이상의 광도(밝기)를 가진 적색거성(red giant)으로의 진화가 시작됩니다.
진화가 진행되면 이번에는 중심부의 헬륨을 소비하여 탄소와 산소를 생성하는 핵융합 반응이 일어나기 시작합니다. 그리고 78억 년 후, 고밀도의 중심부만을 그 자리에 남기고 외층을 모두 우주공간에 방출해 버립니다.
이 때 남는 중심부가 백색왜성입니다. 백색왜성은 더 이상 핵융합을 일으키지 않고 단지 식어가는 별입니다. 즉, 밤하늘에 빛나는 백색왜성은 옛날 존재했던 태양과 같은 항성의 마지막 모습입니다.
백색왜성은 태양의 0.6배 정도의 질량이 지구 정도의 크기에 모인 고밀도의 별입니다. 백색왜성의 대부분은 이전의 융합반응에서 생성된 탄소와 산소로 구성된 강한 결합 플라즈마(액체와 같은 상태)입니다. 그러나 냉각이 진행된 오래된 백색왜성의 내부는 결정화되고 고체가 될 수 있습니다.
플라즈마란 무엇인가
좁은 의미의 플라즈마는 아래의 3조건을 갖춘 상태를 말합니다.
1. 전하를 가진 입자의 집단이다.
2. 준중성 : 전반적으로 중성. 예를 들어 수소이온과 전자로 구성된 플라즈마의 경우, 수소이온의 수밀도와 전자의 수밀도는 모든 장소에서 대략 동일하다.
약결합 : 기체와 같은 상태에 있다. 즉, 각 입자는 기본적으로 이웃 입자로부터 받는 쿨롱력에 강하게 속박되지 않고 자유롭게 날아다니고 있다.
▣ 준중성이란
플라즈마 물리학이 대상으로 하는 시스템은 준중성(quasi-neutrality)이 유지됩니다. 예를 들어 전자만 존재한다면 플라즈마라고 부르지 않습니다. 전자가 있으면 그 전하를 상쇄할 분의 양전하(많은 경우는 양이온)도 존재해야 합니다. 자연계에서는 하나의 전하만이 선택적으로 생성(손실)하는 일은 일어나기 어렵고, 기본적으로 준중성이 유지되고 있습니다.
처음에 준중성에 있던 플라즈마에서는 그 후에도 준중성을 계속 유지하려는 메커니즘이 작동합니다. 예를 들면 양이온과 전자로 구성된 플라즈마가 어떤 원인에 의해 혼란이 발생하여 플라즈마 중에 양이온 과다의 영역과 전자 과다의 영역이 생겼다고 합시다.
양이온 과다 영역은 전체적으로 양의 전하를 갖고, 전자 과다 영역은 음전하를 갖습니다. 이 때 양자 사이에는 전기장이 발생하기 때문에 전자 과다 영역의 전자는 전기장과 반대 방향으로 가속되어 양이온 과다 영역으로 이동하려고 합니다. 이러한 방식으로 양이온과 전자의 수밀도 불일치를 완화하려는 메커니즘이 작동합니다. 전하 밸런스의 혼란이 있어도 전자가 즉시 대응하기 때문에, 준중성으로부터의 어긋남은 작을 것으로 기대됩니다.
▣ 약결합이란
좁은 의미의 플라즈마는 약결합 상태에 있는 것을 의미합니다. 플라즈마는 하전입자의 집단이기 때문에 입자는 이웃 입자로부터 쿨롱력을 받습니다. 그 힘에 의한 포텐셜(위치 에너지)보다 각 입자의 운동에너지가 큰 경우, 각 입자는 쿨롱력에 강하게 묶이지 않고 자유롭게 운동하게 됩니다. 이것이 약결합입니다.
반대로 각 입자의 운동에너지가 쿨롱력의 포텐셜만큼이나 작은 경우, 각 입자의 운동은 쿨롱력에 의해 묶입니다. 이것이 강결합입니다. 광의로는 이 상태도 강결합 플라즈마라고 합니다.
▣ 상대성이론의 필요성
게 성운의 시뮬레이션에서는 특수상대성이론이 고려됩니다. 상대성이론은 시스템의 에너지가 높을 때 필요하게 되는 이론입니다. 다음 조건이 모두 충족되면 상대성이론을 고려할 필요가 없습니다.
1. 플라즈마를 구성하는 각 입자의 속도는 광속에 대해 무시할 수 있다.
2. 중력이 충분히 약하고 정적이다.
3. 자기장이 충분히 약하다.
태양이나 지구 자기권의 경우를 생각해 봅시다. 첫째, 조건 1에서 태양 플레어 및 CME와 함께 발생하는 고에너지 입자(SEP)는 광속의 90%에 도달할 수 있습니다. 또한 지구 자기권의 방사선대(Van Allen radiation belt)라고 불리는 영역에는 광속의 70% 정도의 전자가 존재합니다. 따라서 이러한 입자가 일으키는 현상을 조사하기 위해서는 특수상대성이론이 필요합니다.
다른 현상에서 입자의 속도는 광속에 비해 무시할 수 있습니다. 예를 들어 CME에서는 플라즈마의 유속이 3000km/s에 달할 수 있지만 광속에 비하면 1% 정도입니다. 예를 들어 온도가 1000만 K인 경우 전자의 열운동은 광속의 4% 정도가 되지만 상대론적 효과를 생각하지 않아도 좋은 영역입니다.
조건 2의 경우, 예를 들어 태양 표면의 중력 포텐셜을 0으로 설정하고 질량밀도 분포를 사용하여 계산하면 태양 중심은 조건을 충족합니다.
조건 3의 경우, 예를 들어 태양 표면의 흑점은 0.3T의 자기장이 존재하고 태양 표면의 질량밀도는
10^-4kg/m^3 정도이므로 조건을 충족합니다.
▣ 태양 - 지구계의 경우
대상으로 하는 시스템(태양외층이나 태양풍, 지구자기권, 전리권)은 약결합하고 축퇴의 효과를 무시할 수 있으므로 양자역학적 효과를 생각할 필요가 없습니다. 또한 몇몇 예외를 제외하고 많은 현상은 상대성이론을 고려할 필요도 없습니다. 따라서 이러한 시스템에서는 각 입자가 고등학교에서 배운 역학(뉴턴의 법칙)에 따라 운동하고 있다고 생각해도 좋은 정밀도로 기능합니다.
출처 참조 번역
- Wikipedia
- プラズマとは何か?
https://solarphys.com/physics/plasma/
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