출처를 모를 초고에너지 우주선 포착!

출처를 모를 초고에너지 우주선 포착!

 

우주선이란, 우주에서 나오는 방사선을 말하는데요.

보통 거대한 별이 붕괴하거나 할때 나오는 엄청난 에너지를 가진 방사선입니다.

지구에서는 인위적으로 만들기 힘든 방사선인데요.

 

그런데 지금까지 알려진 것보다 더 고에너지의 불가사의한 방사능이 포착되었다고 합니다. 현재의 과학이론으로는 설명하기가 힘들다고 하는데요. 도대체 이 우주선의 정체는 무엇일까요! 한번 소식 보시죠.

 

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 초고에너지 우주선 포착!

 

현대 물리학 이론으로는 설명할 수 없는 초고에너지 '우주선(Cosmic Ray∙宇宙線)'이 두 번째로 포착되었습니다.

이 우주선의 출처는 전혀 알 수 없는 '공허(Void)'로, 인류의 천문학적·물리학적 한계를 보여준다는 평가가 나왔습니다.

 

국제 '텔레스코프 어레이'(Telescope Array) 공동연구단은 지난 2021년 포착된 우주선 입자의 에너지가 244EeV(엑사전자볼트=10의 18제곱 전자볼트)로, 이론상 가능한 수치보다 5배나 큰 것으로 분석되었다고 24일 발표했습니다.

이 연구는 과학 저널 '사이언스(Science)' 최신호에 실렸습니다.

 

텔레스코프 어레이는 미국 유타대학교, 일본 도쿄대학교가 주도하는 국제 연구단으로, 미국 유타주 서부 사막에 입자 검출기 507개를 700㎢의 면적에 일정하게 배열하여 만든 '코스믹 어레이'를 이용해 우주를 연구합니다.

국내에서는 성균관대 박일흥 교수, 한양대 천병구 교수, 울산과기원(UNIST) 류동수 교수 연구팀 등이 참여하고 있습니다.

 

'우주선'은 우주에서 들어오는 방사선과 입자를 모두 포함하는 개념입니다.

이번에 포착된 우주선은 일본 오사카 공립 대학교의 천문학자 토시히로 후지이가 2021년 5월 27일 일상적인 관측을 진행하다 우연히 발견했습니다.

후지이 박사는 네이처 인터뷰에서 처음에는 소프트웨어에 버그가 발생했거나 단순한 관측 오류라고 생각했지만, 관측이 오류가 아니었다고 했습니다.

연구단은 일본 신화에 나오는 태양의 여신 이름을 따 이 우주선을 '아마테라스 입자'로 명명했습니다.

 

아마테라스 입자는 코스믹 어레이의 북서쪽 부근 검출기 23개, 48㎢ 면적에서 포착되었습니다.

이 입자들을 분석한 결과, 에너지가 244EeV에 달하는 사실이 밝혀졌는데, 1EeV 이상의 에너지를 갖는 우주선을 '초고에너지 우주선(UHECR)'이라고 부르는 점을 고려하면, 일반적인 UHECR의 200배를 넘어서는 위력입니다.

1EeV는 인간이 만든 입자가속기에서 도달할 수 있는 에너지보다 약 100만배 강력한 수준입니다.

 

이렇게 강력한 UHECR이 관측된 것은 이번이 두 번째입니다. 가장 먼저 포착된 초고에너지 UHECR은 1991년 포착된 '오마이갓 입자(oh-my-God particle)'로, 에너지 수준이 320EeV에 달했습니다.

1991년 이후로도 30개 이상의 UHECR이 관측되었으나, 에너지 수준이 '오마이갓 입자'와 비슷한 수준에 달한 경우는 이번이 처음입니다.

 

학자들이 충격에 빠진 이유는 이 우주선의 에너지 수준이 이론적으로 불가능하기 때문입니다.

현대 물리학 이론에서는 입자가 다른 은하에서 우리 은하로 이동할 때 가질 수 있는 에너지의 상한선을 50EeV로 추정합니다.

이는 양성자가 빛의 속도에 99.99% 가까울 정도로 빠르게 움직일 때 가질 수 있는 에너지의 크기로, 이 한계선을 '그레이젠-자트세핀-쿠민즈' 한계라고 부릅니다.

그러나 오마이갓 입자와 아마테라스 입자는 이 한계를 훨씬 뛰어넘은 것입니다.

 

또 다른 미스터리는 이 우주선의 출처입니다. 보통의 UHECR은 저에너지 우주선에 비해 자기장에 강하게 반응하지 않아 우주를 직선으로 이동합니다.

따라서 입자 측정 지점으로부터 역산하면, 초신성 폭발이나 블랙홀 등 어떤 천체로부터 UHECR이 왔는지 알아낼 수 있습니다.

하지만 아마테라스 입자가 날아온 방향을 역산하자 알려진 천체가 없는 '빈 공간(void)'이 나왔습니다.

오마이갓 입자도 마찬가지였습니다.

연구자들은 자기장이 우주선의 진로에 미치는 영향에 대한 현재의 추정치가 잘못되었을 수 있다고 밝혔습니다.

아마테라스가 연구팀의 계산과 다른 방향에서 왔을 가능성이 있다는 것입니다.

 

아마테라스 입자가 인류가 아직 모르는 물리적인 과정에 의해 생성되어 추정치보다 훨씬 먼 거리를 이동해왔을 가능성도 있습니다.

어느 쪽이든 현대 물리학으로는 설명이 불가능한 미스테리라는 것입니다.

논문의 공동 저자인 존 벨츠 유타대 교수는 사이언스에 "시공간 구조의 결함일 수도 있고, 우주 끈(cosmic string·우주 생성 초기에 형성된 아주 얇은 관 모양의 고에너지 물질)이 충돌한 것일 수도 있다"며, "사실 기존의 이론으로는 설명할 수 있는 방법이 없기 때문에 사람들이 이야기하는 온갖 이상한 아이디어를 뱉어보는 것일 뿐"이라고 했습니다.

 

출처를 모를 초고에너지 우주선 포착!

 

 

 *참고 : 우주선 cosmic ray이란?

 

"우주선(Cosmic Ray)"은 지구 밖에서 오는 고에너지 입자들로, 주로 우주 공간에서 발생합니다. 이 우주선들은 크게 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다:

 

일차 우주선(Primary Cosmic Rays): 이들은 대부분 고에너지 양성자로 구성되어 있으며, 일부는 중성자나 고에너지 핵(헬륨 핵 등)으로 이루어져 있습니다.

이 입자들은 대부분 우주선의 원천이 되는 천체(예를 들어 초신성, 활동 은하핵, 블랙홀 등)에서 발생합니다.

 

이차 우주선(Secondary Cosmic Rays): 이차 우주선은 일차 우주선이 지구 대기와 상호작용할 때 생성됩니다.

이 과정에서 일차 우주선이 대기 분자와 충돌하여 다양한 하위 입자(예: 뮤온, 중성미자, 파이온 등)로 분해되는데, 이것이 바로 이차 우주선입니다.

우주선은 몇 가지 중요한 특징을 가지고 있습니다:

고에너지: 우주선은 매우 높은 에너지를 가지고 있어, 때로는 인간이 만든 가장 강력한 입자 가속기에서조차 도달할 수 없는 수준의 에너지를 가질 수 있습니다.

 

방향성: 우주선은 우주 공간에서 거의 직선 경로를 따라 움직입니다.

그러나 우주의 자기장에 의해 그 경로가 약간 바뀔 수 있습니다.

연구 가치: 우주선은 우주의 근본적인 물리학과 천체 물리학의 중요한 연구 대상입니다.

특히, 가장 고에너지 우주선은 우주의 극한 조건과 초기 상태에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.

 

생명체와 기술에 미치는 영향: 고에너지 우주선은 생명체에 영향을 미칠 수 있으며, 위성이나 항공기와 같은 기술 장비에도 영향을 줄 수 있습니다.

 

우주선에 대한 연구는 천문학, 우주 물리학, 입자 물리학 등 여러 과학 분야에서 중요한 역할을 합니다.

그들은 우주의 가장 극단적인 현상을 이해하는 데 도움을 주며, 물리학의 기본 이론에 대한 도전과 새로운 발견의 기회를 제공합니다.