일진학

3. 태양 진동의 유형

태양 진동 모드는 대략 구형 대칭의 자기 중력 유체가 정수압 평형을 이루며 공명 진동하는 것으로 해석된다. 각 모드는 반경 $r$의 함수와 구면 조화 함수 $Y^m\_l(\backslash theta,\backslash phi)$의 곱으로 근사하여 표현할 수 있으며, 따라서 다음 세 가지 양자수로 특징지을 수 있다.

• 반경 방향으로 마디 껍질의 개수, 즉 ''방사형 차수'' $n$
• 각 구형 껍질에 있는 마디 원의 총 개수, 즉 ''각도'' $\backslash ell$
• 경도 방향의 마디 원의 개수, 즉 ''방위각 차수'' $m$

3. 1. 압력 모드 (p 모드)

3. 2. 중력 모드 (g 모드)

3. 3. 표면 중력 모드 (f 모드)

4. 지진학적 분석

일진학은 태양 진동을 분석하여 태양 내부의 물리량(밀도, 온도, 압력, 화학 조성 등)을 추정하는 학문이다. 1975년과 1976년에 여러 천문학자들이 태양 표면에서 160분 주기의 진동을 발견하면서 일진학 발달의 시초가 되었다.^[69]

지진학에 활용되는 진동은 본질적으로 단열 과정이다. 따라서 그 역학은 압력($p$)과 관성 밀도($\backslash rho$)를 가진 물질의 작용에 의해 결정되며, 이는 단열 변화에서 압력과 물질 간의 관계에 따라 달라진다. 이 관계는 일반적으로 제1 단열 지수($\backslash gamma\_1$)를 통해 정량화된다. 변수 $p$와 $\backslash rho$의 평형값은 정수압 지지의 제약 조건에 의해 관련되며, 이는 태양의 총 질량($M$)과 반지름($R$)에 따라 달라진다. 진동수($\backslash omega$)는 지진 변수 $\backslash rho(p,\backslash Omega,\backslash rm\; B)$, $\backslash gamma\_1$, $\backslash Omega$ 및 $\backslash rm\; B$ (또는 이들의 독립적인 함수 집합)에만 의존한다. 여기서 $\backslash Omega$는 각속도, $\backslash rm\; B$는 자기장이다. 결과적으로 이러한 변수들에 대한 정보만 직접 얻을 수 있다. 단열 음속의 제곱($c^2\; =\; \backslash gamma\_1\; p/\backslash rho$)은 음향 전파가 주로 의존하는 양이기 때문에 일반적으로 사용되는 함수이다.^[24] 헬륨 풍부도($Y$)^[25]나 주계열성 나이($t\_\backslash odot$)^[26]와 같은 비지진 변수의 속성은 추가적인 가정을 통해서만 추론할 수 있으며, 이는 결과의 불확실성을 높인다.

4. 1. 데이터 분석

4. 1. 1. 지역 일진학의 분석 방법

• '''푸리에-행켈 스펙트럼 방법'''은 원래 흑점에 의한 파동 흡수를 찾는 데 사용되었다.^[1]
• '''링 다이어그램 분석'''은 프랭크 힐이 처음 소개했으며, 태양 표면(일반적으로 15° × 15°)에서 계산된 태양 진동의 파워 스펙트럼에서 주변 음향파의 도플러 이동을 관찰하여 태양 표면 아래 수평 흐름의 속도와 방향을 추론하는 데 사용된다.^[1] 링 다이어그램 분석은 태양의 국소 영역에 적용되는 전역 헬리오시스몰로지의 일반화이다.^[1] 예를 들어 음속과 단열 지수는 자기적으로 활동적인 영역과 비활성(조용한 태양) 영역 내에서 비교할 수 있다.^[1]
• '''시간-거리 헬리오시스몰로지'''는 태양 표면의 임의의 두 위치 사이에서 태양파의 이동 시간을 측정하고 해석하는 것을 목표로 한다.^[1] 두 위치를 연결하는 광선 경로 근처의 불균일성은 두 지점 사이의 이동 시간을 교란한다.^[1] 이후 태양 내부의 국소 구조와 역학을 추론하기 위해 역문제를 풀어야 한다.^[1]
• '''헬리오시스몰로지 홀로그래피'''는 찰스 린지와 더그 브라운이 먼 쪽(자기) 이미징을 목적으로 상세히 소개했으며, 위상 감도 홀로그래피의 특별한 경우이다.^[1] 가시 디스크의 파동장을 사용하여 태양의 먼 쪽에 있는 활동 영역에 대해 알아내는 것이 그 목적이다.^[1] 헬리오시스몰로지 홀로그래피의 기본 아이디어는 태양 표면에서 관찰된 시선 도플러 속도와 같은 파동장을 사용하여 태양 내부 임의의 위치에서 임의의 시점의 파동장을 추정할 수 있다는 것이다.^[1] 이런 의미에서 이 방법은 1940년대부터 사용되어 온 지구물리학 기술인 지진 마이그레이션과 매우 유사하다.^[1] 또한 이 기술은 태양 플레어의 지진 이미지를 제공하는 데 사용되었다.^[1]
• '''직접 모델링'''의 목적은 푸리에 영역의 파동장에서 관찰된 주파수-파수 상관 관계를 직접 반전시켜 지하 흐름을 추정하는 것이다.^[1] 우다드는 이 기술이 f 모드에서 표면 근처 흐름을 복구하는 능력을 입증했다.^[1]

4. 2. 역변환 (Inversion)

4. 3. 회전

• 강체 회전하는 복사층 (비대류층). 내부 핵의 회전 속도는 잘 알려져 있지 않다.
• 강체 회전 내부와 차등 회전 대류 외피를 분리하는 얇은 전단층인 '타코클라인'.
• 회전 속도가 깊이와 위도에 따라 모두 변하는 대류 외피.
• 표면 바로 아래의 최종 전단층 (회전 속도가 표면을 향해 느려짐).

5. 다른 분야와의 관계

일진학은 지구 지진학과 유사하지만, 태양은 고체 표면이 없어 전단파(S파)가 존재하지 않는다는 중요한 차이점이 있다. 전역 일진학은 고유 모드만 연구하는 반면, 지역 일진학은 전체 파동장을 연구한다는 점에서 지구 지진학과 유사하다.

별진동학과 관련하여, 1975년과 1976년에 브룩스(Brookes), 스베르니(Sverny) 등 여러 천문학자들이 태양 표면에서 160분 주기의 진동을 발견했는데, 이는 일진학 발달의 시초가 되었다.^[69] 1980년대 후반에는 태양 진동 관측을 통해 태양 내부 구조를 파악하여 태양 뉴트리노 문제가 태양 내부 구조 모델의 문제일 가능성을 배제했다.

5. 1. 지구 지진학 (Geoseismology)

6. 한국의 일진학 연구

태양은 별이기 때문에, 태양진동학은 별진동학으로 알려진 다른 별들의 진동 연구와 밀접한 관련이 있다. 태양진동학은 또한 외부 대류층에 의해 진동이 유발되고 감쇠되는 별들, 즉 태양형 진동자의 연구와 가장 밀접한 관련이 있지만, 기본 이론은 다른 종류의 변광성에도 광범위하게 적용된다.

주요 차이점은 멀리 떨어진 별의 진동은 분해될 수 없다는 것이다. 구면 고조파의 밝고 어두운 부분이 상쇄되기 때문에, 이것은 별진동학을 거의 전적으로 저차 모드(각도 차수 ${\displaystyle \ell \leq 3}$) 연구로 제한한다. 이것은 역산을 훨씬 더 어렵게 만들지만, 더 제한적인 가정을 함으로써 상한을 여전히 얻을 수 있다.

7. 관측 장비

일진학 연구에는 인공위성 관측 장비와 지상 관측 장비가 사용된다.

7. 1. 인공위성 관측 장비

• VIRGO (Variability of solar IRradiance and Gravity Oscillations): http://www.ias.u-psud.fr/virgo
• SOI/MDI (Solar Oscillations Investigation / Michelson Doppler Imager): http://soi.stanford.edu
• SDO/HMI (Solar Dynamics Observatory / Helioseismic and Magnetic Imager): http://hmi.stanford.edu/
• TRACE (Transition Region and Coronal Explorer): https://web.archive.org/web/20120726082944/http://sunland.gsfc.nasa.gov/smex/trace/

7. 2. 지상 관측 장비

• http://bison.ph.bham.ac.uk/ BiSON
• Mark-1
• http://gong.nso.edu/ GONG
• http://physics.usc.edu/solar HiDHN

참조

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_[2] 논문 Local Helioseismology
_[3] 논문 Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos
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_[5] 논문 High-energy physics: Neutrinos reveal split personalities
_[6] 뉴스 Neutrino 'flip' wins physics Nobel Prize https://www.bbc.com/[...] 2015-10-06
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_[8] 논문 Helioseismic determination of the solar gravitational quadrupole moment
_[9] 논문 Temporal variations in the Sun's rotational kinetic energy
_[10] 논문 The solar tachocline
_[11] 논문 Magnetic Fields in the Solar Convection Zone
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_[14] 논문 Observations of solar oscillations of low and intermediate degree
_[15] 논문 The Current State of Solar Modeling
_[16] 논문 The Current State of Solar Modeling
_[17] 논문 The quest for the solar g modes
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_[22] 논문 A critical evaluation of recent claims concerning solar rotation
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