출처 불명 초고에너지 우주선 포착…1991년 이어 2021년 두번째

미국 유타대와 일본 도쿄대 공동연구팀이 분석한 2021년 극단적 초고에너지 우주선 ‘아마테라스 입자’를 상상한 그림. 공동연구팀 제공

2021년 포착된 우주선이 현대물리학으론 설명이 안 될 정도로 큰 에너지를 가지고 있으며 어디에서 발생한 것인지 출처를 알 수 없는 극단적 초고에너지 우주선(cosmic ray)이라는 분석이 나왔다. 극단적 초고에너지 우주선이 포착된 것은 1991년에 이어 30년 만이다.

과학자들은 ‘오마이갓 입자’(Oh-My-God particle)로 명명된 1991년 입자와 ‘아마테라스 입자’(Amaterasu particle)로 명명된 이번 우주선 같은 초고에너지 입자는 존재 자체가 미스터리로 현대 물리학의 불완전성을 보여주는 사례로 보고 있다.

미국 유타주 사막에 입자검출기 수백개를 설치해 고에너지 우주선을 관측하는 ‘텔레스코프 어레이’(Telescope Array) 공동연구단은 24일 과학 저널 ‘사이언스’(Science)에서 2021년 5월 포착된 우주선 입자의 에너지가 244EeV(엑사전자볼트=10의 18제곱 전자볼트)로 이론상 가능한 수치보다 5배 큰 것으로 분석됐다고 밝혔다. 유타대와 일본 도쿄대가 주도하는 공동연구단은 유타주 서부 사막의 델타 외곽 700㎢의 면적에 정사각형 격자로 입자 검출기 507개를 배열해 우주에서 나오는 고에너지 우주선 입자를 탐지하고 있다. 이 연구에는 성균관대 박일흥 교수와 한양대 천병구 교수, 울산과기원(UNIST) 류동수 교수 등 국내 연구진도 참여했다.

연구팀이 일본 신화에 나오는 태양의 여신 이름을 따 ‘아마테라스 입자’로 명명한 이 우주선은 2021년 5월 27일 유타주 텔레스코프 어레이 북서쪽 부분의 검출기 23개, 48㎢의 면적에서 포착됐는데, 분석 결과 에너지가 244EeV(약 40J)에 달하는 극단적인 초고에너지 우주선(UHECRs : Ultrahigh-energy cosmic rays)으로 밝혀졌다. UHECRs는 인간이 만든 입자가속기에서 도달할 수 있는 에너지보다 약 100만 배 강력한 수준인 1EeV 이상의 아원자 하전 입자가 우주에서 날아오는 것을 말한다. 연구팀은 1991년 오마이갓 입자가 포착된 이후 텔레스코프 어레이에는 30개 이상의 UHECRs가 관측됐지만 에너지 수준이 오마이갓이나 아마테라스 입자에 근접한 것은 한 개도 없었다고 밝혔다.

244EeV(약 40J)는 현대 물리학 이론으로는 설명할 수 없는 수준이다. 현대 물리학 이론으로는 50EeV를 넘을 수 없다으며, 이 한계인 50EeV를 그레이젠-자트세핀-쿠즈민 한계(GZK cutoff)라고 한다. 50EeV는 아원자 입자가 다른 은하에서 은하 간 매질을 통과해 우리은하로 이동할 때 가질 수 있는 에너지의 이론적 상한선으로, 양성자가 빛의 속도에 아주 가까운 속도로 이동할 때 갖는 에너지이며 약 8J(줄)에 해당한다. 이전까지 50EeV가 넘는 우주선이 포착된 것은 1991년 유타대 ‘플라이아이’(Fly‘s Eye) 실험에서 관측된 ‘오마이갓 입자’ 뿐이었다. 당시 이 우주선은 에너지 수준이 320EeV였다.

두 우주선 모두 언제 어디서 어떻게 만들어졌는지 모른다는게 더 미스터리다. 연구팀도 아마테라스가 날아온 방향에는 근원 은하나 잠재적 출처가 될만한 다른 알려진 천체가 전혀 없었다며 우주선이 온 방향은 우주 거대 구조에서 은하가 거의 존재하지 않는 빈 공간 영역(Local Void)을 가리키고 있다고 밝혔다.

전세원 기자