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천문우주과학소식

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자기장으로 형성된 항성의 우주 광선

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2014-10-20
  • 조회수 : 3681
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천체물리 분출(astrophysical jet)은 우주의 가장 극적인 현상 중 하나라 손꼽힌다. 블랙홀(black hole), 준항성 퀘이사(quasar), 원시성(protostar)의 중심으로부터 이러한 물질 광선은 때때로 몇 광년을 우주 공간으로 튀어나오기도 한다. 최근 자기장(magnetic field)이 어떻게 어린 항성에서 이러한 방출을 형성하는지 설명할 수 있는 새로운 모델이 최초로 성공적으로 입증될 수 있었다. 헬름홀쯔-젠트럼 드레스덴-로센돌프(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR))의 연구진 결과는 Science에 보고되었으며, 본 연구 결과는 암 치료에도 도움될 수 있을 것으로 예상된다.

우주에서 한 물체가 물질의 회전 디스크(disk)를 형성할 때마다 디스크의 중심으로부터 발생하는 얇은 직선 형태의 물질 방출이 발생할 가능성이 있다. 이러한 구조체는 새로운 항성의 형성 과정에서 특히 관찰된다. 그러나 이러한 얇은 빔이 디스크 내에 어떻게 형성될 수 있는지를 이해하는 것은 아직까지 과학자들에게 이해되지 못하고 있기 때문에 많은 관심을 모으고 있다.

HZDR 연구진은 이러한 프로세스를 연구하였다. 그들은 거동하는 타깃 중심에 전자가 조절된 레이저 광으로 플라스틱 시료를 가격하여 고체 플라스틱 물체를 전도성 플라즈마(plasma)로 변형시켰으며, 이를 빠르게 확대하는 전자와 이온의 뜨거운 구름의 종류로 고려하였다. 소규모 수준에서 플라즈마는 어린 항성의 물질 축적을 의미한다.

실험을 특별하게 만드는 것은 플라즈마가 매우 강력한 펄스 자기장에 노출된다는 사실이다. 아이디어는 다음과 같다. 자기장의 영향 아래 일반적으로 넓게 산란된 플라즈마는 초점을 맞추기 시작하여 속이 빈 중심을 형성한다. 이는 최종적으로 매우 얇은 빔으로부터 충격파를 생성한다.

실험은 우주에서 발생 가능한 조건을 외삽시키는 방식으로 구성되었다. 즉, 20나노초 이내에 플라즈마는 약 6년에 해당하는 어린 항성의 분출과 유사한 구조를 형성한다. 이를 통해 연구진은 우주 망원경을 통해 가능했었던 천체물리적 관찰 결과와 모델을 검사할 수 있었다.

데이터의 일치 수준은 우수하였다. 제트 분출에서 입자의 가로지른 흐름이 발생하였는데, 이는 뜨거운 지점을 형성하게 된다. 실제 분출의 X-선 측정 결과는 실제 규모의 플라즈마와 정확히 동일한 지점을 형성한다. 연구진은 자기장을 통해 제트 분출의 형성을 설명할 수 있는 모델을 제시할 수 있었다. 이전의 방식들은 어린 항성에 대한 물질의 회전을 또 다른 영향 인자로 고려하였었다.

플라즈마가 이러한 방식으로 초점을 맞출 수 있다는 것을 실현함으로써 의학 공학 분야에서 실제적으로 응용될 수 있다는 것이 입증되었다. 연구진에 따르면 펄스 자기장을 통해 특별히 얇은 양성자 빔이 방사선 치료를 위해 형성될 수 있다.

실험을 위해 강한 펄스 자기장을 생성하기 위해 연구진은 전문적인 HZDR의 고자기장 실험실과 공조하였다. 연구진은 작은 실험실 규모의 공간 내에서 강력한 자기장을 구축할 수 있는 특별한 펄스 생성기를 개발하였다. 옷장 크기의 생성기는 최대 3백 킬로암페어의 전류를 생성할 수 있다.

연구진에 따르면 소형 시설에 구축하는 것은 실제로는 기술적 어려움이 있다고 말한다. 그들은 매우 혁신적인 방법을 고안하였는데, 이를 통해 산업 및 의학 기술에서 응용될 수 있는 다양한 형태의 생성기를 개발할 수 있었다. 연구진은 추가적인 실험을 다시 진행할 계획이기 때문에 현재 펄스 생성기는 여전히 레이저 실험실에 구축되어 있다.


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