[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

1. 연구배경

우주선(Cosmic Ray)는 우주에서 지구로 날아오는 특별한 존재로, 큰 에너지를 가진 입자다. 이를 발견한 빅터 헤스(V. Hess)는 그 공로로 1936년 노벨 물리학상을 수상했다. 이후 우주선에 관한 관심은 자연스레 늘었으며, 또 입자를 검출하는 기술이 발달하면서 우주선 자체가 천체물리학과 입자물리학의 중요한 주제가 됐다.

우주선 중에 아주 높은 극한의 에너지를 가진 것들도 있다. 가로 세로가 1㎞인 면적에 1년에 한 개씩만 떨어질 정도로 드문 “초고에너지 우주선(Ultra-High Energy Cosmic Ray)”이다. 입자 한 개의 에너지가 10²⁰eV(electron Volt) 이상인 초고에너지 우주선도 있는데, 이는 초속 100m의 야구공이 가진 운동에너지와 맞먹는 수준이다.

우리은하계 밖에서 온다고 추정되는 초고에너지 우주선은 과학자들의 호기심을 자극했다. 이렇게 높은 에너지를 가진 입자는 어디서 오는지, 지금까지 밝혀진 물리법칙으로 설명이 가능한지 등이 주요 관심사였다. 그리고 그 비밀을 밝히기 위한 대규모 프로젝트가 지구의 남반구와 북반구에서 진행되고 있다.

남반구에는 프랑스 학자의 이름을 딴 ‘피에르 오제(Pierre Auger) 실험’이 진행되고 있다. 유럽과 미국, 남미가 주도하는 이 프로젝트는 아르헨티나 초원에 대규모 망원경 등을 설치하고 실험을 진행 중이다. 남반구의 반대편인 북반구에서는 ‘텔레스코프 어레이(Telescope Array)’의 실험이 한창이다. 일본과 미국의 주도하는 가운데 한국과 러시아 등이 참여하는 이 실험은 미국 유타주의 사막에서 펼쳐지고 있다.

2. 연구내용

1) 엄청난 에너지 가진 입자, 대체 어디서 왔을까: 초고에너지 우주선 입자는 우주 공간에 전파되는 동안 에너지 일부를 잃어버린다. 우주 공간은 텅 비지 않고 우주배경복사 광자(photon) 등이 채우고 있으므로, 초고에너지 우주선이 이 광자들과 상호작용하면 원래 에너지를 잃을 수밖에 없다. 따라서 지구에서 검출되는 초고에너지 우주선은 우리와 비교적 가까운 거리(우주 전체의 규모로 보았을 때)에서 와야만 한다. 지구에서 대략 수억 광년 이내에 있는 천체에서 초고에너지 우주선이 왔다고 짐작할 수 있는 것이다.

초고에너지우주선이 어떻게 만들어졌는지에 대한 명확한 설명은 아직 나오지 않았다. 지금까지 제시된 가설은 크게 두 가지다. 첫째는 입자물리 모델에 따른 가설이다. 빅뱅 이후 우주가 갑자기 팽창했던 인플레이션 시기에 만들어진 결함이나 우주거대구조를 구성하고 있는 암흑물질 입자가 붕괴하면서 만들어졌다는 설명이다. 두 번째는 천체물리 모델에서 제안한 ‘천체에서 초고에너지우주선이 생성된다’는 설명이다. 물론 우주에 있는 수많은 종류의 천체 중에 10²⁰eV 정도의 같은 높은 에너지를 가진 우주선 입자를 만들 수 있는 천체는 많지 않다.

2) 초고에너지우주선 기원의 실마리 잡다: 최근 텔레스코프 어레이 실험 그룹은 초고에너지 우주선이 북두칠성 근처에서 다수 검출됐다는 사실을 미국 천문학회에 발표했다. 이는 2008년 5월 11일부터 2013년 5월 4일까지 5년에 걸쳐 검출한 결과다. 5.7×10¹⁹eV 이상의 에너지를 가지는 72개의 초고에너지 우주선 중 19개가 큰곰자리의 북두칠성 부근의 비교적 좁은 영역에서 검출된 것이다. 하지만 북두칠성 근처에서는 초고에너지 우주선의 근원이 될 만한 후보 천체가 없다. 이는 초고에너지 우주선의 기원에 대한 여러 추측을 가능하게 만들었다.

UNIST의 류동수 교수가 이끄는 국내연구팀은 초고에너지 우주선이 집중돼 있는 북두칠성 부근 영역에서 처녀자리(Virgo) 은하단과 필라멘트 형태로 연결된 은하들이 모여 있다는 사실을 발견했다. 이 사실에 기반해 초고에너지 우주선이 처녀자리 은하단 내 천체에서 생성돼, 은하단에 연결된 필라멘트를 따라 떠돌아다니다가 지구로 왔을 가능성을 제안했다. 즉 초고에너지 우주선이 전파은하, 은하단 충격파와 같은 천체에서 생성된 후, 우주 공간을 떠돌아다니다가 지구에 도착했다는 설명이다.

3. 기대효과

초고에너지우주선의 기원을 현존하는 물리 이론으로 설명할 수 있을지, 아니면 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학처럼 새로운 물리 이론이 도입돼야 할지 아직 미지수다. 본 연구는 은하단 내 기존에 알려진 천체가 초고에너지 우주선의 기원일 수 있음을 강력하게 시사하고 있다. 이는 초고에너지의 기원을 규명하는 중요한 단서가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 우주선(Cosmic Ray)

우주에서 지구로 쏟아지는 높은 에너지의 입자와 방사선 등을 총칭한다. 헤스(Victor Franz Hess, 1883-1961)가 1911년 기구를 띄워서 측정한 이래, 다양한 지상 및 우주 관측을 통해 연구되고 있다.

2. 초고에너지 우주선(Ultra-High Energy Cosmic Ray)

극한의 에너지, 구체적으로 10의 18승에서 10의 21승(10¹⁸~10²¹) 전자볼트(eV)의 에너지를 가진 우주선 입자를 지칭한다.

3. 전자볼트(eV, electron-Volt)

천체물리, 입자물리 등에서 사용하는 에너지의 단위. 1eV는 기본 전하량을 가진 임의의 하전입자가 1V의 전위차가 있는 곳을 저항 없이 통과했을 때 얻는 에너지다. 1eV＝1.602×10^-12 erg＝1.602×10^-19 J＝3.8×10^-20 cal.

4. 은하단(Cluster of Galaxies)

우주에서 은하는 균일하게 분포하는 것이 아니라 집단을 이루고 있다. 보통 수십~수백 개 정도의 작은 집단은 은하군(group of galaxies)이라 하며, 수천 개 이상의 큰 집단은 은하단이라 한다. 은하단이 보이는 별자리 이름을 따라 처녀자리 은하단, 페르세우스자리 은하단 등이라 부른다.

5. 처녀자리 은하단(Virgo Cluster of Galaxies)

처녀자리에 약 5000만 광년의 거리에 있는, 지구에서 가장 가까운 은하단이다. 지름은 약 1000만 광년이며, 2500개 이상의 은하를 포함하고 있다.

6. 처녀자리 A 전파 은하(Virgo A Radio Galaxy)

처녀자리 은하단에 위치한 전파은하다. 전파은하는 초거대질량 블랙홀을 포함하는 활동성은하핵(Active Galactic Nuclei)으로 강력한 제트를 방출하고 있으며, 이 제트로부터 가시광선보다 훨씬 많은 전파가 방출되고 있다.

7. 은하 필라멘트(Filament of galaxy)

은하들이 가늘고 길게 나열된 공간적 분포를 필라멘트라고 지칭한다. 우주 거대구조의 일부로 은하단과 은하단을 연결하며, 은하단과 더불어 우주망(Cosmic Web)을 구성한다.

8. 은하단 충격파(Shock waves in clusters of galaxies)

은하단에 존재하는 대규모 비충돌 충격파로 X-선 및 전파 관측을 통해 존재가 확인됐다. 천체 환경에서 발견되는 다른 비충돌 충격파와 마찬가지로, 우주선 입자가 가속되고 있다고 믿어지고 있다.

[붙임] 그림설명

[붙임] 연구자와 1문 1답

Q1. 우주에서 지구로 오는 고에너지 입자들을 연구하신다고 들었습니다. 이 분야 연구의 목표를 여쭤도 될까요?

A1. ‘우주가 무엇이고 어떻게 만들어졌는지’에 대한 답을 찾으려는 겁니다. 우주에서는 고에너지 물리현상에 의한 전파, 엑스선, 감마선 복사(radiation)와 더불어 고에너지 우주선(cosmic ray) 입자, 중성미자(neutrino), 중력파 등이 만들어집니다. 이를 관측하고 생성 원리를 파악하면 ‘우주란 무엇인지’에 대한 답에 한 발짝 다가갈 수 있을 거예요. 저를 비롯한 천체물리학자들은 이렇게 보이지 않는 존재들의 비밀을 우주의 기원을 밝히고 있죠.

Q2. ‘초고에너지 우주선’이라는 존재는 꽤 낯선데요. 자세히 설명해주세요.

A2. 우주에서 지구로 들어오는 존재들은 꽤 다양한데요. 그 중에서 에너지가 매우 높은 입자가 ‘우주선’입니다. 이 존재를 처음 발견한 사람이 빅터 헤스(V. Hess)인데, 1963년 노벨 물리학상을 받았죠. 우주선 중에서도 에너지가 극한으로 높은 것들이 있는데, 이들은 초고에너지 우주선이라고 합니다. 1㎢ 면적에 1년에 1개씩만 떨어질 정도로 발견하기 드물죠. 이걸 검출하기 위해서 남반구와 북반구에 대형 실험장치가 설치됐고, 수백 명의 국제공동연구진이 관측과 실험을 이어가고 있어요.

Q3. 천문학자와 물리학자가 초고에너지 우주선 검출과 연구에 집중하는 이유가 무엇인가요?

A3. 21세기 물리학계에서 뽑는 난제 중 하나로 ‘초고에너지 우주선의 기원’이라는 주제가 포함돼 있습니다. 도대체 어디서 오는지 어떻게 생성됐는지 거의 밝혀지지 않았거든요. 특히 먼지보다 훨씬 작은 양성자 입자 하나가 초속 100m 야구공만큼 큰 에너지를 담고 있다는 점도 눈길을 끕니다. 지구상에서 가장 큰 인공입자가속기인 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)에서 만들어내는 빔 에너지보다 백만~천만 배 높은 에너지를 가진 셈이니까요. 이런 막대한 에너지를 가진 입자를 만들어내는 우주의 초거대 가속기는 대체 무엇인지 과학자들의 호기심을 자극하고 있는 겁니다.

Q4. 지금까지는 추정된 ‘우주의 초거대 가속기’는 무엇인가요?

A4. 거대 질량 블랙홀을 가진 활동성은하핵에서 분출되는 제트류, 혹은 은하계 먼 우주에서 발생한 감마선의 폭발, 은하단 충격파 등 대규모 충격파 등이 꼽힙니다. 인플레이션 시기에 만들어진 결함이나 우주 거대구조를 구성하고 있는 암흑물질 입자 등도 이론적으로 추정되고 있어요.

Q5. 2008년부터 2013년까지 텔레스코프 어레이 연구진이 관측한 자료가 초고에너지 우주선의 기원 찾기에 아주 중요하다면서요.

A5. 그렇습니다. 텔레스코프 어레이 국제공동연구진이 5년간 검출한 데이터 중에서 5.7×10¹⁹eV 이상의 에너지를 가지는 초고에너지 우주선은 72개였는데요. 이중 19개가 큰곰자리 북두칠성 부근의 좁은 영역에서 나왔어요. 이 영역은 적경 146.6도, 적위 43.2도에 해당하는데요. 관측된 초고에너지 우주선의 4분의 1이 이 지점에서 나온 만큼 이 입자의 기원을 밝힐 중요한 근거로 생각됩니다.

참고로 텔레스코프 어레이 국제공동연구진은 전 세계 과학자 150여 명으로 꾸려졌는데요. 이중 한국 과학자로는 4명 교수급(류동수 UNIST 교수, 박일홍 성균관대 교수, 천병구‧김향배 한양대 교수)과 다수의 연구원, 학생이 있습니다.

Q6. 이번 논문에 이름을 올린 연구자도 모두 한국인이라는 점이 눈에 띕니다.

A6. 텔레스코프 어레이 연구진은 초고에너지 우주선 관측과 검출에 집중하고 있습니다. 앞서 설명한 것처럼 지구에 도착하는 입자가 드물기 때문에 꾸준히 데이터를 축적할 필요가 있습니다. 그래야 더욱 정확한 방향으로 연구할 수 있어요. 이번 연구는 텔레스코프 어레이 장치들로 관측한 결과를 이용해 이론적인 계산을 진행한 것입니다. 이미 검출된 초고에너지 우주선의 위치와 근처 천체들의 환경을 함께 고려해 가능성을 제시한 것이죠. 그러다 보니 의견을 모으고 계산을 해낸 한국 연구진(TA 참여 연구진과 은하 천문학자)만 저자로 이름을 올리게 됐습니다.

Q7. 초고에너지 우주선의 기원을 처녀자리 은하단 속 천체로 추정할 근거가 하나 더 생겼다고 해석됩니다.

A7. 맞습니다. 초고에너지 우주선이 많이 검출된 북두칠성 인근에는 이런 큰 에너지를 가진 입자가 생성될 만한 천체가 없습니다. 거기서 가장 가까운 천체 중의 하나가 처녀자리 은하단인데요. 이번 연구는 초고에너지 우주선이 필라멘트를 따라 떠돌다가 지구로 왔을 가능성을 보여줍니다.

다시 말해 처녀자리 은하단에 속하는 천체, 예를 들면 처녀자리 A 전파은하처럼 특별한 천체에서 초고에너지 우주선이 만들어지고, 자기장을 따라 우주 공간을 떠돌아다니다가 지구로 튕겨왔을 수 있다고 강하게 추정할 수 있습니다.