태양향 흐름 ³He‑풍부 SEP 사건의 다중우주선 관측과 CME에 의한 경로 연장

초록

2024년 4월 1‑4일, Solar Orbiter와 Parker Solar Probe가 0.3 AU 이내에서 관측한 두 차례 ³He‑풍부 SEP 사건은 (1) 태양을 향해 흐르는 입자와 (2) 명목적인 Parker 나선보다 2‑8배 긴 이동 경로를 보였다. 저속 CME가 입자를 ICME 전면을 따라 우회하게 만든 것이 원인으로 제시되며, 이는 최초의 다중우주선 태양향 ³He‑SEP 관측이다.

상세 분석

본 연구는 Solar Orbiter(SO)와 Parker Solar Probe(PSP)의 입자 검출기(SIS, LET)와 플라즈마·자기장 측정 장비를 활용해 2024년 4월 1일과 3일에 발생한 두 차례 ³He‑풍부 SEP 사건을 정밀 분석하였다. 첫 번째 사건은 19:58 UT(4월 1일)의 Type III 전파와 동시 발생했으며, 두 번째 사건은 02:05 UT(4월 3일)에 나타났다. SIS‑A(태양향)와 SIS‑B(반태양향) 모두에서 ³He와 중이온(C‑Fe)의 에너지 스펙트럼이 관측됐으며, 특히 SIS‑B에서 높은 에너지 구간(>1 MeV/nuc)에서 더 강한 플럭스가 기록되었다.

입자 도착 시각을 Type III 전파 시각(광속 전파 지연 보정)과 1.47 MeV/nuc(소)·1.68 MeV/nuc(PSP) 에너지 채널의 도착 시간 차를 이용해 경로 길이를 계산한 결과, SO에서는 0.98 AU, PSP에서는 1.37 AU로, 각각 명목적인 Parker 나선(0.3 AU·0.16 AU) 대비 3.3배·8.6배에 해당한다. 이는 전통적인 난류에 의한 필드 라인 무작위 보행보다 훨씬 긴 경로이며, 두 사건 모두 1 AU 수준의 경로 길이에 가까운 ‘가상’ 경로를 따랐다.

특히 입자 피치각 분포는 SIS‑A가 SIS‑B보다 상대적으로 높은 플럭스를 보이며, 전형적인 반태양향(바깥쪽) 흐름이 아닌 ‘태양향’ 흐름을 시사한다. 이는 입자가 ICME 전면을 우회하면서 자기장 선을 따라 태양 쪽으로 재배치된 결과로 해석된다.

원천 CME는 2024년 3월 30일 21:04 UT에 AR 13615에서 발생했으며, 속도 < 400 km s⁻¹, 폭 ≈ 70°의 저속, 넓은 구조를 가졌다. 근일점에서의 CME 전진 거리와 팽창 속도를 이용해 4월 1일 사건 발생 시점에 CME 전면이 약 0.76‑0.95 AU(SO)·0.94‑1.1 AU(PSP) 거리에서 위치했음을 추정한다. 이러한 위치에서 입자는 CME 전면을 따라 ‘감싸서’ 이동했으며, 결과적으로 관측된 긴 경로와 태양향 흐름이 발생한다.

이러한 메커니즘은 기존 ³He‑풍부 SEP가 주로 국소적인 개방 필드 라인을 따라 빠르게 방출된다는 가정에 도전한다. CME에 의해 재배열된 필드 라인은 동일한 입자 집단이 넓은 경도(> 120°)에 걸쳐 관측될 수 있는 ‘광역’ ³He‑SEP 현상의 한 원인으로 제시된다. 또한, 저속 CME가 남긴 ICME 내부 혹은 전면에 남은 ³He‑풍부 입자는 이후 급격한 충격파나 고속 CME에 의해 재가속될 경우, 큰 점진적 SEP 사건의 ‘시드’ 물질로 활용될 가능성을 시사한다.

결론적으로, 본 논문은 (1) 태양향 흐름을 보이는 ³He‑풍부 SEP의 최초 다중우주선 관측, (2) 저속 CME가 입자 경로를 크게 연장시키는 메커니즘, (3) 이러한 현상이 광역 ³He‑SEP와 대규모 SEP의 시드 물질 공급에 미치는 함의를 제시한다. 향후 고해상도 MHD 시뮬레이션과 다중점 입자 추적이 필요하다.