우주서 날아오는 '극한에너지 입자' 기원 찾나
우주서 날아오는 '극한에너지 입자' 기원 찾나
  • 함예솔
  • 승인 2019.01.03 06:25
  • 조회수 1160
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

초고에너지(Ultra-High Energy Cosmic Ray) 우주선이란?

  • 우주에서 지구로 날아오는 입자 중에서 큰 에너지를 가진 것들을 '우주선(Cosmic Ray)'라 부르는데, 이 중 어마어마한 에너지를 가진 입자를 '초고에너지 우주선'이라고 합니다. 
  • 초고에너지우주선은 입자 하나의 에너지가 10의 20승 전자볼트(1020eV) 이상인 것도 있는데 이는 우주에서 날아오는 입자 중 초속 100m 야구공과 맞먹는 수준입니다. 참고로, 인간이 지구에서 만들어낼 수 있는 입자의 최대 에너지가 10의 13승 전자볼트인데, 이보다 백만~천만 배나 높은 에너지의 입자가 우주에서 지구로 떨어지는 것입니다.

 

어떠한 연구인지?

  • UNIST 자연과학부 류동수 교수가 이끄는 한국 연구진은 극한의 에너지를 가진 우주입자, '초고에너지 우주선(Ultra-High Energy Cosmic Ray)'의 생성 관련 가설을 <사이언스 어드밴시스>에 발표했습니다. 
  • 이 입자들이 처녀자리(Virgo) 은하단 내 천체에서 생성돼 그와 연결된 은하 필라멘트(Filament of Galacy)를 따라 떠돌다가 지구로 왔다고 제안한 것입니다. 

 

지금까지의 '초고에너지 우주선' 기원 가설은?

  • 입자 물리 모델에 따른 가설이 있습니다. 빅뱅 이후 우주가 갑자기 팽창했던 인플레이션 시기에 만들어진 결함이나 우주 거대 구조를 구성하고 있는 암흑물질 입자가 붕괴하면서 만들어졌다는 설명입니다.
  • 천체에서 초고에너지우주선 생성된다는 가설입니다. 물론 우주에 있는 수많은 종류의 천체 중에 1020eV 정도의 높은 에너지를 가진 우주선 입자를 만들 수 있는 천체는 많지 않다고 합니다. 

 

어떻게 조사했지?

 

미국 유타 사막에 설치된 텔레스코프 어레이 실험 장치의 모습. 출처: UNIST
미국 유타 사막에 설치된 텔레스코프 어레이 실험 장치의 모습. 출처: UNIST
  • 남반구와 북반구에 거대한 망원경을 설치해 초고에너지 우주선을 관측하며 엄청난 에너지를 가진 우주 입자의 기원을 밝힐 자료를 축적하고 있습니다.
  • 최근 성과는 미국 유타주의 사막에 설치된 입자검출장치인 '텔레스코프 어레이(Telescope Array)'에서 나왔습니다.
  • 텔레스코프 어레이 국제공동실험그룹은 2008년 5월 11일부터 2013년 5월 4일까지 5년에 걸쳐 72개의 초고에너지 우주선(5.7×1019eV 이상)을 검출했습니다. 이 중 19개가 큰곰자리 북두칠성 부군의 비교적 좁은 영역(hotspot)에서 나왔습니다. 
  • 그런데 북두칠성 근처에는 초고에너지 우주선이 만들어질만한 천체가 없습니다. 

 

 

<br>
적도좌표계로 표시된 천구상에서 처녀자리 은하단(중심 부근 작은 점들의 집단)과 은하단에 연결된 6개의 은하 필라멘트(F1~F6)와 이에 속한 은하. 출처: UNIST

특이점은?

  • UNIST 류동수 교수가 이끄는 국내연구팀은 초고에너지 우주선이 집중돼 있는 북두칠성 부근 영역에서 처녀자리(Virgo) 은하단과 필라멘트 형태로 연결된 은하들이 모여있다는 사실을 발견했습니다. 
  • 이 사실에 기반해 초고에너지 우주선이 처녀자리 은하단 내 천체에서 생성돼 은하단에 연결된 필라멘트를 따라 떠돌아다니다가 지구로 왔을 가능성을 제안했습니다. 

 

초고에너지 우주선의 이동 경로 제시. 출처: UNIST
초고에너지 우주선의 이동 경로 제시. 출처: UNIST
  • 즉, 초고에너지 우주선이 전파은하, 은하단 충격파와 같은 천체에서 생성된 후 우주 공간을 떠돌다가 지구에 도착했다는 설명입니다.
  • 초고에너지우주선의 기원을 현존하는 물리 이론으로 설명할 수 있을지 아니면 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학처럼 새로운 물리 이론이 도입돼야 할지 아직 미지수입니다.

 

UNIST 류동수 교수. 출처: UNIST
UNIST 류동수 교수. 출처: UNIST

 

"한국 연구진은 초고에너지 우주선이 집중된 영역, 즉 핫스팟에서 처녀자리 은하단과 연결된 은하 필라멘트들이 있는 걸 발견했습니다. 처녀자리 은하단 속 천체에서 초고에너지 우주선이 생성돼 은하 필라멘트를 따라 이동하다가 지구로 왔을 가능성을 제시하고 컴퓨터 시뮬레이션으로 모사해봤습니다"

-UNIST 자연과학부 류동수 교수-

 

 

 

이 연구가 왜 중요하지?

  • 본 연구는 은하단 내 기존에 알려진 천체가 초고에너지 우주선의 기원일 수 있음을 강하게 시사하고 있습니다. 따라서 초고에너지의 기원을 규명하는데 중요한 단서가 될 것으로 기대됩니다.
  • '초고에너지 우주선'은 가로 세로가 1km인 면적에 1년에 한 개씩만 떨어질 정도로 드뭅니다. 
  • 따라서 이렇게 높은 에너지를 가진 입자가 어디서 오는지, 지금까지 밝혀진 물리 법칙으로 설명 가능한지 등은 과학자들의 주요 관심사였습니다.

 

"처녀자리 은하단에는 '처녀자리 A 전파은하(Virgo A Radio Galaxy)'처럼 초거대질량 블랙홀을 포함하는 활동성은하핵도 포함돼 있습니다. 이런 은하와 은하단 충격파 등이 초고에너지 우주선의 기원일 수 있음을 강력하게 시사하는 연구입니다. 이번 연구는 초고에너지 우주선의 우주 공간 이동에 대해 연구한 첫번째 사례인데요. 21세기 천문학과 물리학계의 난제로 꼽히는 '초고에너지 우주선의 기원'을 규명하는 중요한 단서가 될 것입니다"

-UNIST 자연과학부 류동수 교수-


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2019 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트