화성에서 자기장 제트 존재 확인

지구상의 자기장 제트(Magnetosheath jets)는 플라즈마를 둘러싼 더 높은 동적 압력을 갖고 그러한 환경 내에서 에너지를 전달하는 파동을 일으킬 수 있는 플라즈마 독립체다.

이러한 제트는 지구 너머 화성 자기장에도 존재한다. MAVEN 우주선 데이터베이스를 사용하여 Herbert Gunell과 스웨덴 Umea 대학 물리학과 및 스웨덴 우주 물리학 연구소의 연구팀의 결과는 Science Advances에 게재됐다.

이 지구 현상의 외계 대응물은 더 작은 활 충격파(bow shock wave)로 인해 화성에서 비교적 다양하며 천체 물리학 플라즈마에 영향을 미치는 태양계 제트와 같은 자기장 변동 증가와 관련이 있다. 이 작업에서 연구팀은 단일 우주선 데이터베이스 기반 분석을 통합하여 화성의 자기장에서 제트의 존재를 확인했다.

천체물리학자들은 처음에 지구에만 자기장 제트가 존재한다고 가정했다. 그러나 일부 혜성과 마찬가지로 모든 행성에는 활 충격파가 있기 때문에 충격 현상은 천체 물리학에서 보편적이다. 이 연구에서 MAVEN 우주선이 얻은 데이터는 화성의 자기층에 제트가 존재한다는 명확한 시각을 제공했다.

태양풍이 지구 자기장을 만나면 초음속에서 아음속으로 변화가 선수 충격파를 형성한다. 제동된 태양풍은 가열된 플라즈마로 압축된 영역인 자기장을 형성할 수 있다. 자성체 제트는 지구에서 증가된 밀도 및/또는 속도로 인해 발생하는 플라즈마 압력의 동적 표현을 통해 발생한다. 천체물리학자들은 처음에 플라스모이드를 설계하기 위해 백그라운드 플라즈마가 있는 진공을 사용하여 실험실에서 자기장을 가로지르는 제트의 움직임을 연구했다. 연구원들은 1990년대 후반에 지구에서 처음으로 이 현상을 보고했으며, 이는 현재 상당한 연구 결과를 낳았다.

제트는 자기장에서 파동을 생성하여 지상파 자력계에서 감지되는 표면파와 Alfven 파의 방출을 유발할 수 있다. 이 개념은 목구멍 오로라로 알려진 현상과도 관련이 있다. 활 충격파 형성 및 자기장 생산의 대부분의 메커니즘은 SLAMS(Short Large Amplitude Magnetic Structures) 또는 열류 이상 현상 및 활 충격 개질과 관련하여 태양풍과 선수 충격파의 잔물결의 상호 작용을 제안한다. 제트는 자기장에서 활 충격을 축소하고 태양풍 에너지를 플라즈마 환경을 통해 파동 에너지로 전달하는 데 필수적이다.

Gunell과 동료들은 2017년 1월 28일과 1월 29일, 그리고 2020년 6월 10일에 MAVEN 우주선이 관찰한 세 가지 제트기의 예를 제시했다. 초기 관측 타임라인 동안 팀은 우주선 위치를 화성의 태양 궤도 좌표계 주요 평면에 투영했다. 그들은 연구에서 모델 활 충격을 보여주기 위해 점선과 실선으로 결과를 개략적으로 제시했다. 후속 분석에서 우주선은 태양풍에 들어가지 않았다. 따라서 두 번째 시간 프레임의 매개변수는 자성체의 측정값에서 추정했다.

데이터베이스에서 얻은 이온 스펙트럼은 많은 양성자와 알파 입자 집단을 보여주었다. 알파 입자는 더 큰 자이로 반경으로 인해 양성자에 비해 활 충격을 통과한 후 열화되는 데 더 오래 걸렸다. 팀은 2017년과 2020년의 두 시간대에 자기장 제트와 행성 화성에 대한 상대적 근접성을 추가로 조사하여 MAVEN 우주선이 만나고 문서화한 것처럼 현상이 후자보다 더 이른 시간대에 행성에 더 가깝다는 것을 밝혔다.

2020년 6월 10일까지 팀은 더 높은 고도와 더 하류에서 발생하는 제트 자기장을 관찰했다. 그들은 동적 압력이 증가한 두 개의 펄스와 더 긴 거리의 활 충격파가 별개의 집단으로 나타나는 대신 알파 입자와 양성자의 혼합을 초래한다는 점에 주목했다. 시나리오의 향상된 동적 압력은 자기장 변동이 제트 내부에서 더 높은 진폭을 나타내는 증가된 밀도에 따라 달랐다.

천체물리학자들은 활 충격파와 행성간 자기장을 계속 모니터링했다. 단일 우주선 연구는 제트 크기의 간단한 추정을 보였다. Gunell과 동료들은 제트의 모양과 기원에 대한 결론에 도달하기 위해 제트 크기를 자기장 스케일과 비교했다. 예를 들어, 그들은 천문대 우주선이 이동한 거리보다 훨씬 더 큰 척도인 이온 속도 방향으로 4000~18,000km 범위의 제트 크기를 기록했다.

이러한 방식으로 Herbert Gunell과 동료들은 지구 상 자기층 제트 편재(Ubiquitous)와 지오이펙티브 현상(geoeffective phenomena)이 어떻게 자기층 내에서 파동을 생성하고 에너지를 전달할 수 있는지 밝혔다. 이러한 현상은 다른 규모와 특성으로 화성 자기권의 지구 대기 너머에 존재하지만 두 행성 환경에서 비슷한 역할을 한다.

연구원들은 행성 주변 공간의 모든 지역을 포괄하기 위해 다양한 태양풍 조건에 적합한 화성 자기장 제트의 지리적 영향을 정량적으로 추정하기 위해 미래에 더 큰 통계 연구를 사용할 것을 제안한다.