태양은 뜨겁게 타오르며 에너지를 분출하는 행성입니다. 태양 열은 멀리 떨어진 지구에서 생명체가 탄생하는 과정에도 기여했습니다. 그런데 태양에는 신기한 현상이 있습니다. 코로나라고 불리는 태양 바깥 층이 태양 표면보다 더 고온인 것입니다. 태양 표면은 화씨 1만에 육박하지만 천 마일 위에 위치한 코로나 층은 그보다 수백 배 뜨겁습니다. 코로나 가열 문제(Coronal heating problem)라고 불리는 현상입니다. 보통 열을 발산하는 근원에서 멀어지면 더 시원해지는게 일반적입니다. 원인을 알지 못해 오랫동안 천문학의 난제로 여겨졌습니다.

1000명 이상의 천문학자들과 대학생들이 비밀을 풀기위해 도전했습니다. 콜로라도 대학 연구진은 태양 표면에서 분출되는 플라스마인 태양 플레어 수백 개를 관측했습니다. 연구 결과는 최근 천체물리학 저널(Astrophysical Journal)에 발표했습니다.

조사에 5만 6000시간이 넘는 작업이 필요했습니다. 방대한 업무였지만 몇년에 걸쳐 콜로라도 대학교의 수많은 대학생들이 도와준 덕분에 결실을 맺을 수 있었습니다. 논문의 주 저자 제임스 폴 메이슨 존스홉킨스 응용 물리학 연구소 공학자는 이번 연구를 "윈-윈 시나리오"라고 평가했습니다. 그는 "우리는 뛰어난 과학적 난제를 해결하기 위해 고급 지식 인력을 지휘할 수 있었고 학생들은 과학 연구가 어떤지 공부할 기회를 가졌다"고 설명했습니다.

대학생 협력 조사는 2020년부터 시작했습니다. 헤더 레반도프스키 콜로라도 대학 물리학부 교수는 실험 물리학 강의를 맡았습니다. 실습이 중요한 수업이었지만 코로나19 팬데믹으로 온라인 교육을 할 수 밖에 없었습니다. 고민끝에 많은 도움이 필요한 태양 플레어 분석 과제를 떠올렸습니다. 양자 구조를 주로 연구하던  레반도프스키 교수였지만 천문학에서 가능성을 발견했습니다.

그는 "태양 바깥 코로나가 왜 태양 표면보다 훨씬 뜨거운지는 태양 물리학에서 중요한 질문중 하나다"라고 밝혔습니다. 학자들이 세운 두 가지 가설이 있습니다. 첫번째 가설은 태양의 거대한 자기장이 열을 코로나 층으로 밀어 넣는다는 것입니다. 두번째 가설은 작고 보이지 않는 태양 플레어가 있다고 합니다. 나노 플레어라는 플라즈마가 코로나 층을 덥히는 원리입니다. 하나의 커다란 불 대신 천 개의 성냥이 열을 낸다는 것입니다. 

망원경으로 작은 나노플레어를 직접 관측할 수는 없습니다. 하지만 다른 거대 플레어들을 연구해서 보이지 않는 플라즈마 분출들이 어느정도 강도를 가지는지 추측할 수 있습니다. 이를 위해 물리학 지식을 가진 대학생들이 각기 다른 태양 플레어가 코로나 층에 열기를 얼마나 전달했는지 살폈습니다. 다함께 연구한 결과 순전히 나노 플레어만으로 코로나층을 지금 수준으로 덥히기는 어려울 수 있다고 결론지었습니다. 

연구는 나노 플레어 가설을 반박한 과학적 성과 못지 않게 교육 측면에서도 발전을 이루었습니다. 레반도프스키와 메이슨은 학계의 연구과제를 교실로 가져오는 방식을 개척했습니다. 학생들이 과학에 대해 배울 뿐 아니라 스스로 학습하는 방법을 제공했습니다. 생물학과 화학 학계에서는 학생 참여 연구가 활발하지만 물리학에서는 드문 사례입니다. 

레반도프스키는 "학생들은 문헌 검토, 주요 조사관과 회의, 제안, 자료 분석 및 검토 등 모든 연구 단계에서 참여했다"며 "과학은 협력으로 돌아간다"는 사실을 상기시켰다고 강조했습니다.

메이슨은 "저희 연구가 다른 교수들에게 참여형 연구에 대한 영감을 주기 바란다"며 "그들이 어떤 결과를 얻을 수 있을지 기대된다"고 말했습니다. 

※이 기사는 popsci.com 원문을 바탕으로 작성됐으며, 번역은 파퓰러사이언스코리아 소속 기자가 도왔습니다.

/ 글 BRILEY LEWIS 기자 & 육지훈 기자