‘정체불명’ 우주선 발견됐다…이번이 벌써 두번째 관측이라고?

지구 날아든 초고에너지 광선
이론상 가능 수치 5배 에너지
현재 물리학으론 설명 불가능

지구에 충돌하는 극단적 초고에너지 우주선 상상도. [Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige 제공]

우주에서 지구로 많은 입자가 날아든다. 이런 입자 가운데 에너지가 큰 것을 ‘우주선’(Cosmic Ray)이라 한다. 비행물체인 ‘우주선’이 아닌 ‘광선’ 형태다. 이 중에서도 인류가 지구에서 가속기 등으로 만들 수 있는 가장 큰 입자보다도 최대 1000만 배 큰 입자를 ‘초고에너지 우주선’이라 한다. 한국 연구자가 포함된 국제 연구팀이 현대물리학 이론으로 기원 설명이 불가능한, 극단적으로 에너지가 큰 초고에너지 우주선을 포착했다. 과학계는 이론상 존재 불가능한 이 초고에너지 우주선의 등장에 동요하고 있다.

‘텔레스코프 어레이(Telescope Array)’ 공동연구단은 24일(현지시간) 2021년 5월 포착된 초고에너지 우주선의 에너지가 244EeV(엑사전자볼트)란 연구결과를 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다. 244EeV는 이론상 가능한 수치보다 약 5배 큰 것이다.

텔레스코프 어레이는 미국과 일본, 한국 등의 연구팀이 참여하는 공동연구단의 이름이자 미국 유타주 서부 사막에 설치된 고에너지 우주선 측정 망원경이다. 2008년 작동을 시작한 이 망원경은 탁구대 크기의 표면 탐지기 507개로 구성돼 있다.

연구팀은 텔레스코프 어레이를 활용해 2021년 5월 27일 244EeV에 이르는 초고에너지 우주선을 관측했다. 1EeV는 10억(GeV)기가전자볼트에 해당한다. 1Gev는 10억 eV(전자볼트)에 해당한다. 연구팀은 “현대 물리학 이론으로는 아무리 강력한 초고에너지 우주선이라도 에너지 크기가 50EeV를 넘을 수 없다”며 “새로운 물리학의 시작이 될 수 있는 연구결과”라고 설명했다.

이렇게 에너지가 큰 초고에너지 우주선이 지구에 부딪힌 것 역시 이례적이다. 연구팀은 “초고에너지 우주선은 발생이 매우 드물고 입자가 광대한 우주로 흩어지기 때문에 지구에 충돌할 가능성이 매우 낮다”며 “1991년 에너지 크기가 320EeV에 이르는 ‘오마이갓 입자’란 초고에너지 우주선이 관측된 이후 약 30년 만에 처음”이라고 강조했다.

연구팀은 이번에 발견한 초고에너지 우주선에 ‘아마테라스 입자’란 이름을 붙였다. 일본 신화에 나오는 태양의 여신 이름을 딴 것이다.

태양의 여신을 이름을 땄지만 초고에너지 우주선이 언제 어디서 어떻게 만들어졌는지는 미궁이다. 초고에너지 우주선이 날아온 방향은 은하가 거의 존재하지 않는 ‘빈 공간’이다. 연구팀은 “이 빈공간에는 초고에너지 우주선이 만들어질 만한 은하나 출처가 될만한 천체가 없다”며 “현대물리학에서 예측하는 것보다 더 큰 발생원 등이 존재할 가능성이 있다”고 설명했다.

이번 연구는 박일흥 성균관대 교수와 천병구 한양대 교수, 류동수 울산과학기술원(UNIST) 교수 등 한국인 연구자가 대거 참여했다. 박 교수는 “아마테라스 입자는 기존 이론상으론 존재할 수 없는 입자”라고 강조했다.