3.20 왜 곧고 콜리메이션된 제트가 나타나는가: 장력 회랑 도파관(TCW)의 적용

목차 ／ 제3장: 거시적 우주 (V5.05)

읽기 메모: 본 절은 일반 독자를 대상으로 하며 공식을 다루지 않습니다. 여기서는 장력 회랑 도파관 (Tension Corridor Waveguide, TCW) 을 이용해 곧고, 좁고, 빠른 제트를 어떻게 설명하는지 제시합니다. 정의와 형성 메커니즘은 1.9절을 참고하십시오.

I. TCW가 하는 일: ‘점화’를 곧은–좁은–빠른 이탈로 바꿉니다

• 방향을 고정합니다. 에너지와 플라즈마를 선호 축에 잠그어 근원 부근의 굴절을 억제합니다.
• 개구를 좁힙니다. 작은 개구각의 가는 회랑이 곧고 콜리메이션된 유출을 만듭니다.
• 코히어런스를 유지합니다. 질서 구조가 시간·편광의 펄스 결을 지켜 주며, 난류가 급히 지우는 일을 막습니다.
• 사거리를 늘립니다. 외부 압력과 ‘지지 벽’이 있으면 콜리메이션이 장거리까지 유지되어, 더 투명하고 복사 효율이 높은 영역까지 에너지를 호송합니다.

요약하면, TCW는 콜리메이터로 작동해 근원의 점화를 신뢰성 있게 곧고 좁고 빠른 제트로 전달합니다.

II. 적용 개요: 공통 파이프라인 ‘TCW → 제트’

• 점화: 근원 주변의 얇은 전단–재결합 층이 에너지를 펄스로 방출합니다.
• 호송: TCW가 에너지를 근원역에서 중간 거리까지 데려가며, 재흡수와 굴절을 줄입니다.
• 기어 변속: 폭발 진행 중에 기하와 질서도가 단계적으로 바뀔 수 있으며(편광각의 이산 점프로 관측됩니다).
• 자유 주행: 강한 콜리메이션 구간을 벗어나면 제트는 더 넓은 전파와 애프터글로우 단계로 들어가고, 재콜리메이션 결절과 기하학적 파손이 자주 나타납니다.

III. 계별 매핑: TCW가 작동하는 위치와 관측 포인트

1. 감마선 폭발(GRB)
   • 곧고/콜리메이션 이유: 붕괴 또는 병합이 스핀 축을 따라 안정된 회랑을 뚫어, 가장 밝은 prompt 구간을 더 투명한 반경으로 ‘직송’하고 근원 근처의 상쇄·굴절을 줄입니다.
   • 근원 근접 스케일: 약 0.5–50 au로, 서브세컨드 피크도 곧고 좁게 유지됩니다.
   • 관측 포인트: 상승 모서리에서 편광이 먼저 상승하고, 인접 펄스 사이에 편광각 이산 점프가 나타납니다. 애프터글로우에는 최소 두 개의 무색 단절이 보이며(회랑 층 또는 변속 반영) 시간 비가 표본 내에서 군집합니다.
2. 활동은하핵(AGN)과 마이크로퀘이사
   • 곧고/콜리메이션 이유: 지평선 근방에서 서브 파섹까지 긴 안정 회랑이 형성되어, 포물 콜리메이션 구간에서 원뿔 팽창으로 전이합니다.
   • 근원 근접 스케일: 약 10^3–10^6 au(중심 질량이 클수록 길어짐).
   • 관측 포인트: 스파인–시스 이중 구조와 가장자리 밝기 증가, 거리와 함께 포물→원뿔로 바뀌는 개구각, 연 단위로 재편·반전되는 편광 패턴(회랑 변속의 거시 지표).
3. 조석파괴 사건(TDE) 제트
   • 곧고/콜리메이션 이유: 별이 찢긴 직후 스핀 축 근처에 수명이 짧지만 효율적인 회랑이 급속히 세워져 초기 유출을 강하게 콜리메이션합니다.
   • 근원 근접 스케일: 약 1–300 au로, 강착과 외압이 약해지면 회랑이 이완되거나 종료됩니다.
   • 관측 포인트: 초기에 편광이 높고 안정적이며 곧 급감·반전합니다. 오프-축 시선에서는 광도와 스펙트럼 방향이 시간에 따라 뚜렷이 바뀝니다.
4. 고속 전파폭발(FRB)
   • 곧고/콜리메이션 이유: 마그네타 근방에서 매우 짧은 회랑 구간이 코히어런트 라디오 방출을 극도로 좁은 빔으로 압축하고, 밀리초에 ‘직격’으로 방출합니다.
   • 근원 근접 스케일: 약 0.001–0.1 au.
   • 관측 포인트: 거의 순수한 선형 편광, 회전측정(RM) 의 시간적 계단, 반복원에서는 버스트 사이에 편광각이 ‘단’으로 바뀝니다.
5. 느린 제트 및 기타(원시성 제트, 펄서풍 성운)
   • 곧고/콜리메이션 이유: 상대론적이 아니어도 회랑 기하가 콜리메이션을 낳습니다. 근원 근접의 직선 구간이 방향을 결정하고, 이후 모습은 환경 압력과 원반 바람이 좌우합니다.
   • 근원 근접 스케일: 원시성 제트는 10–100 au 직선 구간이 흔하며, 펄서풍 성운은 극 방향에 짧은 직통 회랑, 적도 방향에 고리 구조를 만들기 쉽습니다.
   • 관측 포인트: 매듭에서 수축–반발 흔적을 동반한 기둥형 콜리메이션(재콜리메이션), 숙주 매질 필라멘트와 정렬된 방향 선호.

IV. TCW 적용의 관측 지문(J1–J6)

아래 지표는 회랑 유도형 직진 제트를 가려내며, 3.10절의 P1–P6를 보완합니다.

• J1 | 편광이 광류보다 먼저 상승합니다. 한 펄스 안에서 상승 구간에 편광이 선행하고, 밝기는 이후 정점에 도달합니다(먼저 코히어런스, 다음 에너지).
• J2 | 편광각이 ‘단’으로 바뀝니다. 인접 펄스 사이에서 각이 이산 단계로 전환되며, 회랑 단위 교체나 변속을 시사합니다.
• J3 | RM이 계단형으로 변합니다. 초기/프롬프트 구간에서 RM 변화가 펄스 경계나 각 점프와 정렬됩니다.
• J4 | 다단 기하학적 단절이 보입니다. 애프터글로우에 두 개 이상 무색 단절이 나타나고, 시간 비가 표본 내에서 군집합니다(층상 회랑 기하).
• J5 | 스파인–시스와 가장자리 밝기 증가가 확인됩니다. 중심 스파인이 더 빠르고 시스가 더 느리며, 제트 가장자리가 더 밝습니다.
• J6 | ‘과투명’ 방향이 일관됩니다. 고에너지 광자가 더 잘 통과하는 방향이 숙주 필라멘트 장축이나 지배 전단축과 통계적으로 정렬됩니다.

판단 규칙: J1–J4 중 둘 이상을 충족하고 형태가 J5/J6을 지지하면, 회랑 유도형 직진 제트 해석이 비채널 모델보다 현저히 우세합니다.

V. 다층 모델(현대 이론과의 역할 분담)

• 기저층: TCW가 제공하는 기하학적 사전정보.
  콜리메이터 거동, 층상 변속, 이산화된 편광각, 계단형 RM, 다단 기하 단절을 설명하고, 길이·개구·층위·전환 시점에 대한 사전정보를 줍니다.
• 중간층: 고전적 제트 동역학과 MHD.
  기하 사전정보에 따라 속도장, 에너지 수송, 측면 압력 결합을 계산하며, 포물 → 원뿔 전이와 안정성을 해석합니다.
• 상층: 복사와 전파.
  표준 복사론으로 스펙트럼·광도곡선·편광·RM을 합성하고, 우주 대규모 구조를 따라 일어나는 재처리를 모델링합니다.
• 권장 워크플로:
  먼저 J1–J6으로 회랑 유도형 직진 제트의 존재를 스크리닝한 뒤, 양성 사례를 동역학·복사 모듈로 보내 정밀 적합과 해석을 수행합니다.

VI. 요약하면

• 작동 지점: TCW는 점화를 곧고, 좁고, 빠른 유출로 호송합니다. J1–J6 지표로 그 성과를 직접 점검합니다.
• 출처 간 통일성: GRB, AGN, TDE 제트, FRB, 느린 제트에 이르기까지 공통 회랑 기하로 ‘왜 곧은가’를 설명합니다.
• 협업 모델링: TCW 사전정보로 기하를 구속하고 그 위에 표준 동역학·복사를 얹어, 형태–위상–스펙트럼/편광을 검증 가능하고 재사용 가능한 설명 사슬로 잇습니다.