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?
- 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.
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.
- 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.
"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-
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