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.
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.
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