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밤하늘을 다양한 색으로 물들이는 오로라는 많은 사람이 생에 한 번은 보고 싶어하는 신비로운 자연현상입니다. 오로라는 우주에서 지구로 들어오는 입자들이 지구 대기와 부딪히면서 생깁니다. 이 입자들 속 전자들은 충돌하기 전에 속도가 매우 빨라지는데, ‘알펜파’라는 파동이 오로라와 함께 관찰된다는 것 외에 자세한 원리는 명확하게 밝혀지지 않았었죠.

제임스 쉬뢰데르 미국 위튼칼리지 물리학과 교수팀은 알펜파의 에너지가 오로라를 일으키는 전자로 옮겨가며 속도가 빨라진다고 가정했습니다. 그리고 수학 모형과 실험으로 이를 확인했습니다.

연구팀은 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대학교에 있는 ‘거대 플라스마 장치(LAPD)’를 이용해 지구 자기장과 입자가 상호작용하는 대기와 비슷한 환경을 만들었습니다. LAPD는 태양이 방출하는 초고온 상태의 기체인 플라스마를 생성합니다. 연구팀은 알펜파를 이 기기 안에 쏘고 전자의 속도를 측정했죠. 이때 등각사상을 적용한 수학 모형으로 알펜파가 전자의 속도에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다. 등각사상은 평면, 입체, 위치 관계 등을 변환할 때 이전의 각도가 유지되는 것을 말하며, 합동변환, 닮음변환 등이 여기에 포함됩니다. 유체역학이나 전자기학 같은 학문에서 열이나 전기의 전이 과정을 분석하는 데 활용됩니다.

연구팀은 전자가 마치 서핑하듯 알펜파의 전기장을 타고 진동하며 속도가 빨라지는 것을 확인했습니다. 이 속도는 오로라를 만들어내기에 충분했습니다. 이런 현상은 1946년 러시아 과학자 레프 란다우가 주장한 ‘란다우 감쇠’ 이론과도 일치했습니다.

쉬뢰데르 교수는 “이번 연구 결과를 목성과 토성 등 오로라를 볼 수 있는 다른 행성에도 적용할 수 있을 것”이라며 연구의 의의를 밝혔습니다. 이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 6월 7일자에 실렸습니다.