January 22,2019

국내 연구진, 지구로 오는 ‘초고에너지 입자’ 생성 가설 제시

울산과기원 등 "처녀자리 은하단에서 생성 후 북두칠성 근처서 튕겨나와"

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초고에너지 우주선 이동 경로 컴퓨터 시뮬레이션 ⓒ 울산과기원 제공

초고에너지 우주선 이동 경로 컴퓨터 시뮬레이션 ⓒ 울산과기원 제공

우주에서 지구로 날아오는 ‘초고에너지 우주선’(Ultra-High Energy Cosmic Ray) 생성 원인을 밝힐 가설을 국내 연구진이 제시했다.

울산과학기술원(UNIST)은 류동수 자연과학부 교수가 이끄는 연구진이 초속 100m 야구공 운동에너지와 맞먹는 에너지를 가진 입자가 지구로 날아오는 이유를 예측한 연구 결과를 ‘사이언스 어드밴시스’(Science Advances) 온라인판에 발표했다고 3일 밝혔다.

우주에서 지구로 날아오는 입자 중에서 큰 에너지를 가진 것들을 ‘우주선’(Cosmic Ray, 宇宙線)이라고 부르며 이중 어마어마한 에너지를 가진 입자를 ‘초고에너지 우주선’이라고 한다.

초고에너지 우주선 중에는 입자 하나 에너지가 10의 20승 전자볼트(eV) 이상인 것도 있다.

인간이 지구에서 만들어낼 수 있는 입자 최대 에너지가 10의 13승 전자볼트인데, 이보다 100만~1천만 배나 높은 에너지 입자가 우주에서 지구로 떨어지는 것이다.

다만, 이들 입자는 지구 대기에서 다른 입자와 충돌해 흔적만 남기 때문에 실제 인간이 느낄 수는 없다.

현재까지 초고에너지 우주선이 어디서, 어떻게 생성되는지 밝혀지진 않았다.

연구자들이 남반구와 북반구에 거대한 망원경 등을 설치해 초고에너지 우주선을 관측해왔으며 최근 북반구 미국 유타주 사막에 설치된 입자검출장치인 ‘텔레스코프 어레이(Telescope Array)’를 통해선 초고에너지 우주선이 북두칠성 근처에서 다수 검출됐다는 사실을 발표하기도 했다.

하지만 북두칠성 근처에는 초고에너지 우주선의 근원이 될 만한 후보 천체가 없어 연구자들 사이에 여러 가지 추측이 있었다.

텔레스코프 어레이 연구 그룹에 속한 류동수 교수 연구진은 이 초고에너지 우주선이 처녀자리 은하단 내 천체에서 생성된 후 상대적으로 가까운 북두칠성 은하단에서 튕겨 나왔다는 가설을 제시했다.

즉, 처녀자리 은하단과 북두칠성 은하단은 은하 필라멘트(Filament of Galaxy·가늘고 길게 나열된 공간적 분포)로 연결돼 있는데, 초고에너지 우주선이 처녀자리 은하단에서 생성된 이후 은하 필라멘트를 따라 이동하다가 북두칠성 근처에서 지구로 왔다는 것이다.

연구진은 이런 가설을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 나타내는 데 성공하기도 했다.

연구진은 이번 연구가 초고에너지 우주선의 기원을 규명하는 데 중요한 단서가 될 것으로 기대하고 있다.

류동수 울산과기원 교수 ⓒ 울산과기원 제공

류동수 울산과기원 교수 ⓒ 울산과기원 제공

류 교수는 “처녀자리 은하단에는 초거대 질량 블랙홀을 포함하는 활동성 은하핵도 포함돼 있다”며 “이런 은하와 은하단 충격파 등이 초고에너지 우주선의 기원일 수 있음을 강력하게 시사하는 연구다”고 강조했다.

이번 연구의 제1 저자는 김지현 울산과기원 박사후 연구원, 교신저자는 류동수 교수이며, 강혜성 부산대 교수와 김석 한국천문연구원 박사후 연구원, 이수창 충남대 교수가 참여했다.

연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(고에너지 천체물리 선도연구센터) 지원으로 이뤄졌다.

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