[POSTECH-PAL 연구팀, 우주 및 핵융합 플라즈마 연구 광범위한 적용 기대]

지구 자기권과 자기화 플라즈마 물리의 난제 중 하나로 꼽히는 ‘분기된 전류 시트’ 현상의 원인이 국내 연구진에 의해 규명됐다.

물리학과·첨단원자력공학부 윤건수 교수, 포항가속기연구소 윤영대 박사 공동연구팀이 비평형 상태의 플라즈마 전류 시트^*1가 비충돌 평형화하는 과정을 이론적으로 정립했다. 또한, 이를 입자 시뮬레이션 및 미국 나사(NASA)의 위성 데이터와 비교함으로써 지구 자기권의 미스테리였던 ‘분기된 전류 시트’의 기원을 규명했다.

지구 자기권에서는 서로 반대되는 두 자기장 영역 사이에 갇힌 시트 형태의 플라즈마가 관찰된다. 그 내부에 전류가 흐르므로 전류 시트라고도 부른다. 통상의 이론에 따르면, 전류 시트 내부는 전류가 만들어내는 자기장에 의한 자기 압력과 플라즈마의 열 압력이 서로 반대로 작용하여 평형을 이룬 한 덩어리로 존재한다. 하지만, 2003년에 유럽 우주국의 클러스터(Cluster) 위성이 지구 자기권에서 두 덩어리로 분기된 전류 시트를 관측했다. 이후 동일 현상이 계속 관찰되고 있지만, 아직 그 원인을 규명하지 못했다.

한편, 전류 시트에서 자기력과 열 압력이 서로 완벽하게 평형을 이룬 조건에 관해서는 상당한 연구 성과가 축적돼왔지만, 비평형 상태에서 평형 상태에 도달하는 과정은 풀리지 않은 숙제로 남아있었다. 플라즈마는 일반적으로 비평형 상태에서 시작하기 때문에, 이 과정을 규명하는 것은 방대한 종류의 플라즈마 동역학 현상을 이해하는 데에 있어 중요하다.

공동연구팀은 전류 시트를 이루는 입자들의 궤도 종류와 위상 공간 분포를 고려하여 비평형 상태의 시트가 평형을 이루어가는 과정을 상세히 분석했다. 평형화 과정에서 전류 시트가 자연스럽게 두 갈래로 분기될 수 있음을 파악했다. 이러한 이론적 예측이 한국핵융합에너지연구원의 ‘KAIROS 슈퍼컴퓨터^*2’에서 수행한 입자 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인했다. 또 시뮬레이션 데이터를 미국 나사의 MMS 위성^*3 측정 데이터와 비교 검증했다.

이번 성과는 이론적 분석, 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션, 그리고 위성 관측을 모두 종합하여 자기화 플라즈마 역학에 대한 이해를 한층 높인 사례이다. 지구 자기권 플라즈마는 그 특성에 있어 핵융합 플라즈마 등 다른 자기화 플라즈마들과 여러모로 유사하므로 다양한 분야에 광범위하게 기여할 것으로 기대된다.

공동 교신저자로 참여한 윤건수 교수는 “전류 시트가 비평형 상태에서 평형 상태로 도달하는 과정과 분기된 전류 시트의 생성 원인이라는 두 가지 난제를 동시에 해결했다는 점에서 학술적 의의가 크다”며, “지구 자기권 플라즈마뿐만 아니라 핵융합 플라즈마에서 일어나는 유사한 현상들도 같은 연구 기법으로 해석하고자 하는 중”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’의 지난달 18일 자에 게재됐으며, 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
 

1. 플라즈마 전류 시트
원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태인 플라즈마는 우주의 99.9%를 차지하고 있고, 지구 자기권에 존재하는 물질 또한 플라즈마다. 플라즈마가 시트 형태로 존재하고, 시트에 수평한 방향으로 전류가 흐르는 상태를 ‘전류 시트’라고 한다. 전류 시트는 전류가 만들어내는 자기장에 의한 자기 압력과 플라즈마의 열과 밀도 때문에 발생하는 열 압력이 서로 반대 방향으로 힘을 작용 하는데, 그 힘의 크기가 서로 완벽하게 같게 된 경우를 평형 상태, 그렇지 않을 경우를 비평형 상태라 한다.

2. 한국핵융합에너지연구소 KAIROS
KAIROS는 2020년에 한국핵융합에너지연구원에 구축된 슈퍼컴퓨터로, 1.56 페타플롭의 성능을 갖고 있으며, 이는 인텔 i7-9700K 데스크탑 PC 기준 3300대의 성능과 맞먹는다. 특정 분야 연구용으로는 국내에서 가장 크고, KISTI와 기상청에 이어 공공기관 중 세 번째로 큰 규모를 갖는다. 핵융합 플라즈마 시뮬레이션을 위해서 구축되었다.

3. 미국 나사 MMS 위성
MMS(Magnetospheric Multiscale) 위성은 지구 자기권을 연구하기 위해 나사가 2015년 쏘아올린 위성군이다. 네 개의 동일한 위성들이 사면체의 구도로 지구를 공전하고 있으며, 전자기장, 전류, 그리고 입자 분포 등 다양한 변수들을 관측할 수 있는 장비들이 탑제돼있다. MMS에서 얻은 데이터를 활용하여 지구 자기권에서 발생하는 자기장 재결합, 난류, 그리고 고에너지 입자들에 관한 연구가 현재까지도 활발히 진행되고 있다.