이론 뛰어넘은 우주방사선 발견…기원도 몰라

망원경 배열 연합 국제 공동 연구진

이론적 한계 이상의 에너지를 가진 초고에너지 우주선(cosmic ray) '아마테라스 입자'의 상상도. 한국을 비롯해 일본, 벨기에, 러시아, 미국이 참여하는 공동 연구진은 24일 이 우주선의 발견을 학계에 보고했다./일본 오사카 시립대, 교토대

우주에서 정체를 알 수 없는 우주선(宇宙線, cosmic ray)이 관측됐다. 지구의 가속기에서 만들어지는 에너지의 100만배에 달할 정도로 강한 에너지로 이론적 한계마저도 뛰어넘었다. 그 출처를 알 수도 없어 천체 물리학계의 새로운 난제로 지목된다.

망원경 배열 연합(Telescope Array Collaboration) 국제 공동 연구진은 24일 “이론적인 수치보다 5배 이상을 뛰어넘는 큰 에너지를 가진 우주선을 포착했다”고 밝혔다. 우주선 또는 또는 우주방사선은 우주에서 지구로 쏟아지는 고에너지 입자와 방사선을 모두 포함하는 용어다.

망원경 배열 연합은 연세대, 한양대, 이화여대, 충남대를 비롯한 국내 연구진과 일본, 벨기에, 러시아, 미국이 참여하는 국제 연구자들의 모임이다. 이들은 고에너지 우주선을 측정하기 위해 2003년 미국 유타주의 사막에 3개의 형광망원경과 507개의 입자 검출기를 설치해 우주를 관측하고 있다.

이번에 확인된 우주선은 2021년 5월 포착됐다. 244EeV(엑사전자볼트)에 달하는 강한 에너지를 가질 것으로 예상돼 밝게 빛난다는 의미로 태양을 뜻하는 ‘아마테라스 입자’라는 이름을 붙였다. 1Eev 이상의 에너지를 갖는 우주선을 ‘초고에너지 우주선(UHECR)’이라고 부르는데, 이보다 200배 이상 클 정도로 강한 에너지를 갖고 있는 특이한 현상이 포착된 것이다.

심지어 이론적으로 우주선이 가질 수 있는 에너지의 한계는 50Eev다. ‘그레이젠-자트세핀-쿠민즈’ 한계라고 부르는 이론에 따르면 우주선을 구성하는 양성자가 빛 속도의 99.99%에 달할정도로 빠르게 움직일 때 마이크로파 복사의 상호작용이 느려지면서 나타난다.

이 한계를 뛰어 넘는 우주선이 발견된 것은 이번이 처음은 아니다. 1991년에는 ‘오마이갓’이라고 부르는 우주선이 관측됐다. 오마이갓은 320Eev에 달하는 에너지를 가져 이후 과학계는 이론을 뛰어넘는 우주선을 설명하기 위해 연구하고 있다. 과학자들은 현재 양성자보다 무거운 ‘HZE 이온’이 우주선을 구성하거나 이론이 틀렸을 가능성도 보고 있다.

이들 우주선은 이론을 뛰어넘는 고에너지와 함께 알 수 없는 출처도 미스터리다. 연구진이 우주선의 관측 방향을 바탕으로 역추적한 위치에는 이렇다 할 천체가 없는 것으로 확인됐다. 고에너지의 우주선은 자기장의 영향을 받지 않아 상대적으로 출처를 찾기 쉽다. 우주선은 은하처럼 거대한 천체에서 만들어지는 것이 일반적이나 아마테라스 입자가 나온 방향에는 은하가 거의 없는 ‘공허(void)’가 있었다.

연구진은 “은하 자기장으로 예측한 것보다 훨씬 큰 미확인 천체가 존재할 가능성도 있다”며 “그렇지 않다면 우리가 알고 있던 고에너지 입자 물리학이 잘못됐을 수도 있다”고 말했다.

참고자료

Science, DOI: https://doi.org/10.1126/science.abo5095

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