아태이론물리센터(이하 APCTP)는 APCTP 윤영대 박사, 포항공과대학교 물리학과·첨단원자력공학부 윤건수 교수가 미국 항공우주국(NASA·나사) 및 나사 연구원과 공동 연구를 통해 가이드 장을 포함한 비평형 상태의 플라즈마 전류 시트가 비충돌 평형화하는 과정을 이론적으로 수립하고, 이를 입자 시뮬레이션 및 나사 MMS 위성 데이터와 비교함으로써 자기 배터리의 형성 과정을 규명했다고 밝혔다.

자기 배터리는 태양풍과 지구 자기권 등에서 자기 에너지를 저장하고 에너지 변환을 주관하는 전류 시트를 의미한다.

전류 시트는 서로 반대되는 두 자기장 영역에 갇힌 플라즈마 상태를 뜻하며, 자기장 에너지를 저장해 이를 열에너지 등 다른 형태의 에너지로 변환하는 것을 주관한다. 이는 화학적 에너지를 저장하고 이를 전기 에너지로 바꿔주는 전지, 즉 배터리와 비슷해 일종의 ‘자기 배터리’라고 할 수 있다.

또 전류 시트는 자기 압력과 열 압력이 상충하는 형태이며, 두 압력의 비율에 따라 이론적으로 여러 형태를 띨 수 있다. 예를 들어 중앙의 열 압력이 바깥쪽의 자기 압력과 평형 상태를 이룰 수도 있고, 가이드 장(전류 방향과 평행한 자기장)의 존재로 자기 압력만으로 평형 상태를 이룰 수도 있다. 실제로 최근 위성 관측 결과 태양풍 난류와 지구 자기권에서 거의 모든 형태의 전류 시트가 존재함이 확인됐지만, 이런 형태들에 대한 통계와 형성 과정을 설명할 수 있는 이론이 부족했다.

공동 연구팀은 이번 연구에서 먼저 가이드 장을 포함한 전류 시트를 이루는 입자들의 궤도 종류와 위상 공간 분포를 분석해 시트가 평형화하는 과정을 수립했다. 이를 통해 가이드 장이 증폭되면서 초기 조건에 따라 모든 형태의 전류 시트에 도달할 수 있음을 보였고, 한국핵융합에너지연구소의 KAIROS 슈퍼컴퓨터에서 구동한 입자 시뮬레이션 데이터를 미국 나사의 MMS 위성 데이터와 비교해 이를 확인했다.

이번 성과는 이론적 분석, 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션 그리고 위성 관측을 모두 종합해 자기화 플라즈마 역학에 대한 이해를 한층 높인 사례다. 전류 시트는 태양풍, 태양 코로나, 행성 자기권, 핵융합 장치 등에서 자주 형성되는 기초 플라즈마 상태이기에 광범위한 환경에서의 적용을 기대해볼 수 있다. 이번 연구성과 담은 논문은 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’의 1월 10일 자에 게재됐다.

논문명은 ‘Equilibrium selection via current sheet relaxation and guide field amplification’이다.

논문의 주저자인 APCTP 윤영대 박사는 “전류 시트와 같은 기초 플라즈마 상태의 형성 과정을 밝혀내는 것은 자기화 플라즈마 동역학에 대한 일반적인 물리적 이해도를 끌어올리는 일”이라며 “또 다른 기초 플라즈마 상태인 자속 밧줄의 형성 과정도 같은 연구 기법으로 해석하려는 중”이라고 설명했다.

APCTP 방윤규 소장은 “센터 상주 연구원들이 국내 연구진들과 공동 연구 활동을 활발하게 이어가고 있다”며 “이처럼 훌륭한 연구 성과를 창출하기 위해 센터에서 지원을 아끼지 않을 것이며, 국제 공동 연구와 소통을 더욱더 활성화하겠다”고 말했다.

한편 아태이론물리센터는 정부의 과학기술진흥기금 및 복권기금 지원을 받아 연구 개발(R&D) 사업을 수행할 뿐만 아니라 사업 성과물에 따른 과학 콘텐츠의 성과 확산 및 사회 환원을 수행하며 사회적 가치 증진 증대를 위해 노력하고 있다.

김대성  keilbo@keilbo.com

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