맨위로가기

활모양충격파

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

활모양 충격파는 플라스마의 전체 속도가 초음속에서 아음속으로 감소하는 경계면으로 정의되며, 천체물리학에서 자기장의 존재와 관련하여 자주 나타난다. 지구, 혜성, 태양권 등 다양한 천체 환경에서 발생하며, 태양풍과 같은 플라스마 흐름이 다른 천체나 물질과 상호 작용할 때 형성된다. 특히, 혜성의 활모양 충격파는 혜성의 코마와 태양풍의 상호 작용으로, 별 주변에서는 허빅-아로 천체나 도주성에서 적외선 활모양 충격파가 관측되기도 한다. 또한 자기장 드레이핑 효과는 초음속 플라스마 흐름이 비자화된 물체에 충돌할 때 발생하며 자기장을 물체 주변으로 드레이핑한다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 태양계 - 천문학
    천문학은 우주 공간에서 일어나는 현상들을 연구하는 자연과학으로, 별, 행성, 은하 등을 연구하며 고대부터 발전해 왔고 현대에는 첨단 기술을 이용해 우주를 관측하고 이론적으로 탐구하는 학문이다.
  • 태양계 - 테이아 (천체)
    테이아는 달의 여신 셀레네의 어머니 이름을 딴 가상의 천체로, 지구와 충돌하여 달을 형성하는 데 기여했을 것으로 추정된다.
  • 공간 플라스마 - 번개
    번개는 뇌운 속 전하 분리에 의해 발생하는 대기 방전 현상으로, 빛과 천둥을 동반하며 지구 외 행성이나 화산 폭발과 같은 현상에서도 발생하고 문화적으로 중요한 의미를 지닌다.
  • 공간 플라스마 - 성운
    성운은 우주 공간에서 가스와 먼지로 이루어진 구름으로, 고대부터 관측되어 왔으며, 망원경과 분광학의 발전을 통해 다양한 종류와 구성 성분이 밝혀졌고, 허블의 연구로 일부가 은하임이 밝혀지는 등 우주 이해에 중요한 역할을 한다.
  • 지구물리학 - 측지학
    측지학은 지구의 형상, 크기, 중력장 및 시간적 변화를 측정하고 연구하는 지구과학의 한 분야로, 고대 그리스어에서 유래되었으며 현대에는 GPS 등의 기술을 활용하여 지구 역학적 현상 연구에 기여한다.
  • 지구물리학 - 무역풍
    무역풍은 지구의 위도권을 따라 동쪽에서 서쪽으로 부는 바람으로, 해들리 순환의 일부이며, 코리올리 효과로 북반구에서는 북동풍, 남반구에서는 남동풍으로 불며, 기상 및 생태계에 영향을 미친다.
활모양충격파
개요
정의항성풍이 성간매질이나 행성 대기 등과 상호작용할 때 형성되는 충격파
관련 현상행성풍
자기권
혜성 꼬리
형성 과정 및 특징
형성 원리초음속으로 흐르는 플라스마가 정지된 매질과 만나 감속 및 가열되면서 발생
주요 특징강한 자기장
높은 플라스마 밀도
입자 가속 현상
형태활 모양 (충격파면과 정지선으로 구성)
충격파면항성풍이 급격히 감속되는 영역
정지선항성풍과 성간매질의 압력이 평형을 이루는 경계
항성풍 충격파 (Stellar Bow Shock)
관련 천체LL 오리온자리 (오리온 성운 내)
특징별에서 불어오는 강력한 항성풍과 성운 가스의 충돌로 형성
허블 우주 망원경 관측 (1995년)
연구IBEX 위성 관측 결과, 기존 예상과 다른 결과 확인 (http://astrobites.com/2012/05/14/no-shocks-for-this-bow-ibex-says-were-wrong/)
기타
관련 용어활꼴 충격파 (Bow shock)

2. 정의 및 발생 원리

활모양 충격파는 플라스마와 같은 유체의 흐름 속도가 초음속에서 아음속으로 급격히 떨어지는 경계를 의미한다. 천체물리학적 환경에서는 자기장의 존재가 활모양 충격파 형성에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 태양풍을 구성하는 하전 입자는 자기력선을 따라 움직이며, 이러한 입자의 흐름이 주변 성간 물질 등과 상호작용할 때 활모양 충격파가 발생할 수 있다.

2. 1. 플라스마 환경에서의 충격파

충격파는 플라스마의 전체 속도가 초음속에서 아음속으로 떨어지는 경계를 기준으로 정의된다. 이때 음속 ''c''s는 다음과 같이 정의된다.

c_s^2 = \gamma p/ \rho

여기서 \gamma비열비, p압력, \rho는 플라스마의 밀도이다.

천체물리학적 환경에서는 자기장의 존재가 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 태양풍을 이루는 하전 입자들은 자기력선을 따라 나선 운동을 한다. 각 입자가 자기력선 주위를 회전하는 속도는 일반 기체에서의 열운동 속도와 유사하게 볼 수 있으며, 일반 기체에서 평균 열 속도는 대략 음속에 해당한다. 활모양 충격파를 통과하면서, 플라스마(예: 태양풍)의 전체 전진 속도(자기력선에 평행한 성분)는 입자들이 자기력선 주위를 회전하는 속도보다 느려지게 된다.

활모양 충격파는 허빅-아로 천체에서도 흔히 발견된다. 여기서는 매우 강한 항성풍이 주변 성간 물질과 충돌하면서 가시광선으로 관측 가능한 밝은 활모양 충격파를 형성한다.

다음 이미지는 오리온 대성운 내 가스와 플라스마가 밀집된 영역에 활모양 충격파가 존재하는 증거를 보여준다.

태양권덮개(Heliosheath)의 활모양 충격파 개념도


태양권덮개 활모양 충격파를 통과하는 보이저 탐사선 상상도


활모양 충격파를 포함한 태양권 구조


태양권과 성간 매질의 상호작용


2006년에는 바다뱀자리 R별 근처에서 원적외선 파장으로 관측된 활모양 충격파가 발견되기도 했다.

2. 2. 자기장의 영향

천체물리학에서 흔히 나타나는 자기장의 존재는 활모양 충격파 형성과 관련이 있다. 예를 들어, 태양풍을 구성하는 하전 입자는 자기력선을 따라 나선형 경로를 따른다. 각 입자가 자기력선을 중심으로 회전할 때의 속도는 일반 기체에서의 열운동 속도와 유사하게 취급될 수 있으며, 일반 기체에서 평균 열 속도는 대략 음속과 같다. 활모양 충격파에서는 바람의 전체 전진 속도(입자가 회전하는 자기력선에 평행한 속도 성분)가 입자가 회전하는 속도보다 낮아진다.

3. 지구 주변의 활모양 충격파

활모양 충격파의 가장 잘 연구된 예는 태양풍지구자기권계면과 만나는 지점에서 발생하는 것이다. 이러한 활모양 충격파는 지구뿐만 아니라 화성[2]이나 금성[3]처럼 자기장이 없는 행성, 그리고 목성[4]이나 토성[5]처럼 자기장이 있는 행성 주변에서도 관측된다. 지구의 활모양 충격파는 두께가 약 17km이며[6], 지구로부터 약 90000km 떨어진 곳에 위치한다.[7]

4. 혜성 주변의 활모양 충격파

활모양 충격파는 혜성태양풍 사이의 상호 작용으로 인해 혜성 주변에 형성된다. 태양에서 멀리 떨어져 있을 때 혜성은 대기가 없는 얼음 덩어리와 같지만, 태양에 가까워지면 햇빛의 열로 인해 혜성 핵에서 가스가 방출되어 코마라고 불리는 대기를 만든다. 이 코마는 햇빛에 의해 부분적으로 이온화되며, 태양풍이 이 이온화된 코마를 통과할 때 활모양 충격파가 발생한다.

이러한 현상은 1980년대와 1990년대에 여러 우주선이 21P/자코비니-지너 혜성,[8] 1P/핼리 혜성,[9] 26P/그리그-스키엘레럽 혜성[10] 등을 통과하면서 처음으로 관측되었다. 이 관측들을 통해 혜성의 활모양 충격파는 지구 등에서 관찰되는 날카로운 행성의 활모양 충격파보다 더 넓고 점진적인 형태를 띤다는 사실이 밝혀졌다. 다만, 이때의 관측은 모두 혜성이 근일점 부근에 도달하여 활모양 충격파가 이미 완전히 발달한 상태에서 이루어졌다.

ESA로제타 우주선은 67P/추류모프-게라시멘코 혜성이 태양으로부터 멀리 떨어진 3.6 AU 거리에서 근일점인 1.24 AU까지 접근했다가 다시 멀어지는 과정을 추적했다. 이 덕분에 로제타는 혜성이 태양을 향해 가면서 가스 방출량이 늘어나고, 이에 따라 활모양 충격파가 점차 형성되는 과정을 관찰할 수 있었다. 이렇게 발달 초기 단계에 있는 충격파를 "어린 활모양 충격파"(infant bow shockeng)라고 부른다.[11] 어린 활모양 충격파는 비대칭적인 형태를 가지며, 혜성 핵까지의 거리를 고려했을 때 완전히 발달한 활모양 충격파보다 상대적으로 더 넓은 영역에 걸쳐 나타난다.

5. 태양권의 활모양 충격파

별들 사이의 매질을 통과하며 움직이는 거품 모양의 태양권과 그 구조들.


수십 년 동안 태양풍은 주변의 성간 물질과 충돌하며 태양권 가장자리에 활모양 충격파를 형성한다고 여겨져 왔다. 이 가설에 따르면, 태양에서 멀어지면서 태양풍의 흐름이 아음속이 되는 지점이 종단 충격파이며, 성간 물질과 태양풍의 압력이 균형을 이루는 지점이 헬리오포스이다. 그리고 성간 물질의 흐름이 아음속으로 느려지는 지점이 활모양 충격파로 가정되었다. 이 태양 활모양 충격파는 태양으로부터 약 230 AU[12][27] 거리에 있을 것으로 추정되었는데, 이는 보이저 우주선이 관측한 종단 충격파까지 거리의 두 배가 넘는 값이다.



그러나 미국 항공우주국(NASA)의 별들 사이 경계 탐사선(IBEX)이 2012년에 수집한 데이터는 태양 활모양 충격파가 존재하지 않을 가능성을 제시했다.[13][28][29][30] IBEX의 관측 결과, 태양권이 성간 물질 속을 이동하는 속도는 기존 추정치보다 느린 약 23km/s로 밝혀졌다. 이 속도에서는 주변 성간 물질이 가하는 압력이 활모양 충격파를 형성하기에는 충분하지 않다는 분석이다. 보이저 우주선의 관측 결과와 종합하여, 현재는 태양이 통과하고 있는 은하 영역의 국소적 성간 자기장의 세기와 태양권의 상대적 속도 조합 때문에 활모양 충격파가 형성되지 않는다는 이론이 유력하게 받아들여지고 있다.[14]

6. 다른 별 주변의 활모양 충격파

2006년, AGB 별 R 뱀주인자리 근처에서 원적외선 활모양 충격파가 감지되었다.[15] 같은 해 바다뱀자리 R별 근처에서도 원적외선 활모양 충격파가 발견되었다.

활모양 충격파는 허빅-아로 천체에서도 흔히 나타나는 현상이다. 이 경우, 별에서 나오는 훨씬 더 강력하고 집중된 가스 및 먼지 유출(별풍)이 성간 매질과 상호 작용하여 가시광선 파장에서 보이는 밝은 활모양 충격파를 생성한다.

허블 우주 망원경은 오리온 성운에서 조밀한 가스와 플라스마로 만들어진 활모양 충격파의 증거를 포착했다. 아래 이미지들이 그 예이다.

질량이 큰 별이 도주성일 경우, 적외선 활모양 충격파를 형성할 수 있다. 이는 스피처 우주 망원경의 24 μm 및 때로는 8 μm 파장, 또는 WISE의 W3/W4 채널에서 감지할 수 있다. 2016년 코불니키(Kobulnicky) 등은 709개의 활모양 충격파 후보를 포함하는, 당시까지 가장 큰 스피처/WISE 활모양 충격파 목록을 만들었다.[17] 더 큰 활모양 충격파 목록을 얻기 위해 시민 과학 프로젝트인 은하수 프로젝트는 은하 평면에서 적외선 활모양 충격파를 찾아 지도로 만드는 것을 목표로 한다. 이 더 큰 목록은 질량이 큰 별의 별풍을 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.[18]

제타 뱀주인자리는 질량이 큰 별의 가장 유명한 활모양 충격파 중 하나이다. 이 이미지는 스피처 우주 망원경으로 촬영되었다.


적외선 활모양 충격파가 관측된 가까운 별들은 다음과 같다.

이름거리 (pc)분광형소속 성협 또는 성단
미모사85B1IV남십자자리-켄타우루스자리 아래 부분군
알파 파리자리97B2IV남십자자리-켄타우루스자리 아래 부분군
아크룩스99B1V+B0.5IV남십자자리-켄타우루스자리 아래 부분군
제타 뱀주인자리112O9.2IVnn전갈자리 위 부분군
세타 돛자리140B0VpIC 2602
타우 전갈자리145B0.2V전갈자리 위 부분군
델타 전갈자리150B0.3IV전갈자리 위 부분군
엡실론 페르세우스자리195B1.5III
알니야트214O9.5(V)+B7(V)전갈자리 위 부분군



이 표에 있는 별들 중 대부분은 전갈자리-켄타우루스자리 연관성에 속한다. IC 2602에서 가장 밝은 별인 세타 돛자리 역시 남십자자리-켄타우루스자리 아래 부분군에 속할 가능성이 있다. 반면, 엡실론 페르세우스자리는 이 별 연관성에 속하지 않는다.[19]

7. 자기장 드레이핑 효과

자기장 드레이핑 효과는 초음속 알프벤 플라스마 흐름이 자기장이 없는 물체에 부딪힐 때 발생하는 현상이다.[20] 예를 들어, 태양풍금성전리층에 도달할 때 이 효과가 나타난다. 이때 플라스마 흐름은 물체를 비껴가면서 자기장을 물체 뒤쪽으로 휘감아 늘어뜨린다.[21]

이 현상이 일어나려면 흐름과 물체 사이의 상대 속도 v가 국소 알프벤 속도 V_A보다 커야 한다. 이는 곧 알프벤 마하수 M_A가 1보다 훨씬 커야 함(M_A \gg 1)을 의미한다. 자기장이 없고 전기 전도성을 가진 물체의 경우, 주변 자기장은 물체 내부와 주변 플라스마에 전류를 유도한다. 이 유도 전류는 자기장이 플라스마와 함께 흘러가는(이류) 속도보다 자기장이 사라지는(소멸) 속도가 훨씬 느리기 때문에 플라스마 흐름을 굴절시키고 속도를 늦춘다. 유도된 전류는 다시 자기장을 생성하여 흐름을 더욱 굴절시키고 결국 충격파를 만들어낸다. 예를 들어, 화성금성의 전리층은 태양풍과 상호작용하기 위한 전도성 환경을 제공한다. 반면, 과 같이 전리층이 없는 비전도성 물체는 흐르는 자화 플라스마를 흡수하게 된다.

자기장 드레이핑 과정에서 자기력선은 물체의 앞부분을 감싸고 휘감기며, 마치 행성 자기권의 충격파와 유사한 좁은 자기장 덮개(sheath)를 형성한다. 이 덮개 안의 자기장은 램 압력이 덮개의 자기 압력과 비슷해질 때까지 집중되어 강해진다. 이 관계는 다음 식으로 표현된다.

:\rho_0 v^2 = \frac{B_0^2}{2\mu_0},

여기서 \rho_0는 플라스마의 밀도, B_0는 물체 근처에서 드레이핑된 자기장의 세기, v는 플라스마와 물체 사이의 상대 속도를 나타낸다. 자기장 드레이핑 현상은 행성, 위성, 태양 코로나 질량 방출, 은하 주변 등 다양한 천체 환경에서 관측되었다.[22]

참조

[1] arXiv Observing stellar bow shocks 2010-05-10
[2] 간행물 Bow Shock and Upstream Phenomena at Mars 2004
[3] 간행물 Location of the bow shock and ion composition boundaries at Venus - initial determinations from Venus express ASPERA-4 2008
[4] 간행물 Cassini plasma spectrometer measurements of Jovian bow shock structure https://hal.science/[...] 2003-07-18
[5] 뉴스 Cassini encounters Saturn's bow shock http://www-pw.physic[...]
[6] 뉴스 Cluster reveals Earth's bow shock is remarkably thin http://sci.esa.int/s[...] 2011-11-16
[7] 뉴스 Cluster reveals the reformation of the Earth's bow shock http://sci.esa.int/s[...] 2011-05-11
[8] 간행물 The Bow wave of Comet Giacobini-Zinner - ICE magnetic field observations 1986
[9] 간행물 First in situ plasma and neutral gas measurements at comet Halley 1986
[10] 간행물 First results from the Giotto magnetometer experiment during the P/Grigg-Skjellerup encounter 1993
[11] 간행물 The infant bow shock: a new frontier at a weak activity comet https://www.duo.uio.[...] 2018
[12] 웹사이트 APOD: 2002 June 24 - the Sun's Heliosphere and Heliopause http://antwrp.gsfc.n[...]
[13] 웹사이트 NASA - IBEX Reveals a Missing Boundary At the Edge Of the Solar System http://www.nasa.gov/[...] 2012-05-12
[14] 간행물 The Heliosphere's Interstellar Interaction: No Bow Shock 2012
[15] 문서 Detection of a Far-Infrared Bow Shock Nebula around R Hya: The First MIRIAD Results http://cdsads.u-stra[...]
[16] 문서 Spitzer Science Center Press Release: Red Giant Plunging Through Space http://www.spitzer.c[...]
[17] 웹사이트 VizieR http://vizier.u-stra[...] 2017-04-28
[18] 웹사이트 Zooniverse https://www.zooniver[...] 2017-04-28
[19] 웹사이트 Close Bowshocks https://melinasworld[...] 2017-04-26
[20] 간행물 Magnetic draping of merging cores and radio bubbles in clusters of galaxies 2006
[21] 간행물 The Galactic Center Isolated Non-thermal Filaments as Analogs of Cometary Plasma Tails 1999
[22] 간행물 Detecting the orientation of magnetic fields in galaxy clusters 2010
[23] 문서 Red Giant Plunging Through Space - NASA Spitzer Space Telescope http://www.spitzer.c[...]
[24] 문서 Bow shock | Define Bow shock at Dictionary.com http://www.dictionar[...]
[25] 문서 Detection of a Far-Infrared Bow Shock Nebula around R Hya: The First MIRIAD Results http://cdsads.u-stra[...]
[26] 웹사이트 New View Of The Heliosphere: Cassini Helps Redraw Shape Of Solar System https://www.scienced[...] 2016-07-14
[27] 웹사이트 The Sun's Heliosphere & Heliopause https://apod.nasa.go[...] Astronomy Picture of the Day 2002-06-24
[28] 간행물 The Heliosphere’s Interstellar Interaction: No Bow Shock
[29] 문서 Southwest Research Institute (SwRI) 2012 News Release - New IBEX data show heliosphere's long-theorized bow shock is missing http://www.swri.org/[...]
[30] 문서 太陽の移動速度、想定より遅かった | ナショナルジオグラフィック日本版サイト https://natgeo.nikke[...]
[31] 문서 한국천문학회 편 《천문학용어집》 162쪽 우단 12째줄
[32] 웹인용 No Shocks for This Bow: IBEX Says We’re Wrong http://astrobites.co[...] 2012-12-05



본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com