여기 물리학 파티 트릭이 있다: 서로 다른 속도로 두 유체를 스치듯 지나가게 하면, 그 경계면이 휘고, 말리고, 깔끔한 소용돌이로 굴러간다. 이를 켈빈-헬름홀츠 불안정성이라고 하며, 1860년대 후반에 설명된 현상으로, 바람이 물결을 일으키고 구름이 물결 모양 줄로 갈라지는 이유이기도 하다. 수십 년 동안 과학자들은 태양의 플라즈마도 같은 현상을 보일 것이라고 의심했지만, 아무도 증명하지 못했다. 이제 국립태양관측소의 데이비드 쿠리제와 프리드리히 뵈거가 이끄는 팀이 이를 확인했을 뿐만 아니라, 이러한 소용돌이가 태양 표면 어디에나 있다고 말한다. 그리고 이것은 태양 대기를 통해 열, 질량, 자기 에너지가 이동하는 방식에 대한 우리의 생각을 바꿀지도 모른다.

이 플라즈마 소용돌이가 그렇게 오랫동안 숨겨져 있었던 이유는 부끄러울 정도로 간단하다: 그들은 아주 작다. 거울 지름 2미터 미만의 망원경으로는 분해할 수 없는 크기다. 태양 물리학 역사의 대부분 동안, 이는 지구상의 모든 망원경을 배제시켰다. 그때 하와이에 있는 4미터 거대 망원경이자 지구상에서 가장 큰 태양 망원경인 다니엘 K. 이노우에 태양 망원경(DKIST)이 2021년 11월에 가동을 시작했다.

2025년 4월 14일, 쿠리제 팀은 태양 원반 중심 근처의 활동 영역을 향해 망원경을 돌렸고, 국립태양관측소와 막스 플랑크 태양계 연구소가 제작한 진단 카메라로 416나노미터 파장의 이미지를 기록했다. 그들의 목표는 소박했다: "회절 한계 성능을 달성하는 것"이라고 쿠리제는 말했다. 그들은 소용돌이를 찾고 있지 않았다. 단지 망원경의 해상도를 시험하고 싶었을 뿐이다. 파장이 짧을수록 더 미세한 디테일을 볼 수 있으므로, 그들은 "가시광선 스펙트럼의 더 짧은 쪽"인 416나노미터를 선택했다.

그들이 얻은 것은 멋진 시험 주행 이상의 보너스였다. 카메라는 100마이크로초 노출로 초당 740프레임을 촬영했다. 2,000프레임은 다중 프레임 블라인드 디콘볼루션을 사용하여 대기 흐림을 제거하고 결합하여, 2초마다 한 프레임, 약 19킬로미터 해상도(4미터 거울이 그 파장에서 이론적으로 도달할 수 있는 한계)의 영화를 만들었다.

"부산물로 우리는 이 놀라운 관측을 얻었고, 이전에 본 적 없는 것을 볼 수 있었다"고 쿠리제는 말했다. 416나노미터에서 태양 표면은 내부에서 열을 운반하는 대류 세포인 과립과 강한 자기장 다발이 얽혀 있는 모습을 보여준다. 저해상도 이미지에서는 자기 영역과 주변 과립 사이의 경계가 매끄럽고 흐릿해 보인다. DKIST 데이터에서는 소용돌이 같은 구조와 미세한 어두운 줄무늬로 어수선하다.

팀은 47개의 소용돌이를 포함한 경계면을 식별했으며, 인접한 소용돌이 사이 간격은 60~100킬로미터였다. 개별 소용돌이의 지름은 25~170킬로미터였고, 가장 작은 것은 19킬로미터 해상도 한계에 딱 걸쳐 있어서 얼마나 작아질 수 있는지 알 수 없다. 그것들은 1분도 안 되어 두 배로 커질 수 있었고, 경계면을 따라 초속 0.67~3킬로미터로 전파되었다.

쿠리제에 따르면, 이 경계면 중 하나 위에 떠 있다면, 보이는 것은 타이밍에 달려 있다. 먼저 선형 단계가 온다: "더 편안하고, 매우 잘 조직되어 있으며, 규칙적이고 아름답다"며 구름처럼 구르는 구조가 있다. 그 다음 비선형 단계가 온다: "매우 혼란스러운 난기류"다.

이 경계면에서 소용돌이가 왜 형성될까? 그것은 모두 자기장의 방향에 달려 있다. 자기장 선은 플라즈마를 통과하는 탄성 실처럼 작용하여 구부러짐에 저항한다. 그것들이 흐름을 따라 놓이면 불안정성을 억제한다. 그것들이 흐름을 가로지르면 아무것도 하지 않는다. DKIST가 관측한 강한 자기 영역에서는 자기장이 수직으로 향하고 과립 흐름은 옆으로 움직인다. 실이 잘못된 방향으로 늘어져 있어 소용돌이가 방해받지 않고 자란다.

그러나 이전에 아무도 본 적 없는 것을 보는 것만으로는 충분하지 않다. "모든 것이 켈빈-헬름홀츠처럼 보였지만, 물론 그것만으로는 충분하지 않다"고 쿠리제는 말했다. 그래서 그들은 약 6메가미터 크기의 광구 패치를 3.2킬로미터 격자 간격으로 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했고, 실제 데이터로 초기 조건을 설정했다.