“초고에너지 우주선, 처녀자리은하단서 떠돌다 지구로 온다”

초고에너지 우주선의 이동경로를 컴퓨터 시뮬레이션으로 나타낸 그림/사진=UNIST

우주에서 날아오는 입자 중에는 초속 100m 야구공과 맞먹는 에너지를 가진 존재가 있다. 이 특별한 입자가 어디서 생성됐는지 밝힐 단서를 국내연구진이 제시했다.

울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 류동수 교수팀과 한국천문연구원 김석 박사후연구원, 부산대 강혜성 교수, 충남대 이수창 교수로 이뤄진 공동연구팀이 극한의 에너지를 가진 우주 입자인 ‘초고에너지 우주선’의 생성 관련 가설을 3일 발표했다. 연구진의 가설에 따르면 이 입자들이 처녀자리 은하단 내 천체에서 생성돼 그와 연결된 은하 필라멘트를 따라 떠돌다가 지구로 왔다.


우주에서 지구로 날아오는 입자 중에서 큰 에너지를 가진 것들을 ‘우주선’이라고 부른다. 이중 큰 에너지를 가진 입자를 ‘초고에너지 우주선’이라고 하는데, 입자 하나의 에너지가 10의 20승 전자볼트(1020eV) 이상인 것도 있다.

인간이 지구에서 만들어낼 수 있는 입자의 최대 에너지는 10의 13승 전자볼트. 이보다 백만~천만배 높은 에너지의 입자가 우주에서 지구로 떨어지는 것이다.

이 같은 에너지를 지닌 우주 입자가 어디서 어떻게 생성됐는지는 아직 알려진 바가 없다.


다만, 남반구와 북반구에 거대한 망원경 등이 설치돼 초고에너지 우주선을 관측하며, 그 기원을 밝힐 자료를 축적하고 있다. 최근 성과는 미국 유타주의 사막에 설치된 입자검출장치인 ‘텔레스코프 어레이’에서 나왔다. 텔레스코프 어레이 국제공동실험그룹은 2008년 5월 11일부터 2013년 5월 4일까지 5년에 걸쳐 72개의 초고에너지 우주선(5.7×1019eV 이상)을 검출했다. 이중 19개가 큰곰자리 북두칠성 부근의 비교적 좁은 영역에서 나왔다. 그런데 북두칠성 근처에는 초고에너지 우주선이 만들어질 만한 천체가 없다. 이 때문에 천체물리학자들은 여러 가능성을 따져보는 중이다.

처녀자리 은하단의 모습/사진=UNIST

류동수 교수는 “우리 연구진은 초고에너지 우주선이 집중된 영역, 즉 핫스팟에서 처녀자리 은하단과 연결된 은하 필라멘트들이 있는 걸 발견했다”며 “처녀자리 은하단 속 천체에서 초고에너지 우주선이 생성돼, 은하 필라멘트를 따라 이동하다가 지구로 왔을 가능성을 제시하고, 컴퓨터 시뮬레이션으로 모사했다”고 설명했다.

우주라는 거대구조는 거미줄처럼 그물망을 이루고 있다. 여기서 필라멘트는 은하들이 가늘고 길게 나열된 줄 형태의 천체이고, 필라멘트가 교차하는 지점에 은하단이 위치한다.

공동연구팀에 따르면 초고에너지 우주선은 은하단 속 천체에서 만들어졌고, 우주 공간 속 자기장과 상호작용하면서 은하 필라멘트를 따라 이동한다. 그러다 일부 입자가 우리은하 방향으로 튕겨져 지상에서 드문드문 검출되는 것이다.

류 교수는 “처녀자리 은하단에는 ‘처녀자리A전파은하’처럼 초거대질량 블랙홀을 포함하는 활동성은하핵도 포함돼 있다”며 “이런 은하와 은하단 충격파 등이 초고에너지 우주선의 기원일 수 있음을 시사한 연구”라고 말했다.

이어 “이번 연구는 초고에너지 우주선의 우주 공간 이동에 대해 연구한 첫 번째 사례”라며 “21세기 천문학과 물리학계의 난제로 꼽히는 ‘초고에너지 우주선의 기원’을 규명하는 중요한 단서가 될 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 2일(현지시간) 온라인판에 게재됐다.

류동수 교수/사진=UNIST