은하계를 가로지르는 미스터리, 고에너지 우주입자의 정체추적

은하계를 가로지르는 미스터리, 고에너지 우주입자의 정체추적

우주에서 날아오는 보이지 않는 총알, 고에너지 우주입자에 대해 들어보셨나요? 빛의 속도에 가깝게 우주 공간을 가로지르는 이 미세한 입자들은 사실 우리 주변에 항상 존재하고 있습니다.


하지만 그중 일부는 과학자들의 상상을 초월하는 엄청난 에너지를 가지고 지구에 도달하며, 현대 천문학에 커다란 수수께끼를 던지고 있습니다. 오늘 지식의 우주에서는 바로 이 미스터리한 고에너지 우주입자의 정체를 추적해 보겠습니다.

은하계를 가로지르는 미스터리, 고에너지 우주입자의 정체추적

우주에서 온 보이지 않는 손님, 우주입자

우주입자(Cosmic ray)는 우주 공간을 떠도는 원자핵이나 전자 같은 아주 작은 입자들을 말합니다. 대부분은 태양에서 날아오거나 우리 은하 내의 초신성 폭발과 같은 격렬한 현상 속에서 에너지를 얻어 가속됩니다. 이들은 지구의 대기와 충돌하며 소멸하지만, 그 과정에서 다른 입자들을 만들어내며 끊임없이 우리에게 영향을 미치고 있습니다.


하지만 과학자들을 정말로 당혹스럽게 만드는 것은 바로 초고에너지 우주입자(Ultra-High-Energy Cosmic Rays, UHECRs)입니다. 이들의 에너지는 인간이 만든 가장 강력한 입자가속기인 거대 하드론 충돌기(LHC)에서 만들어내는 입자보다 수백만 배 이상 강력합니다. 상상하기조차 힘든 이 에너지는 도대체 어디서 오는 걸까요?

이론과 현실의 충돌: GZK 한계와 수수께끼의 입자들

과학자들은 초고에너지 우주입자가 아주 먼 은하에서 날아온다고 해도, 그 에너지에는 한계가 있을 것이라고 예측했습니다. 이를 그레이젠-자체핀-쿠즈민 한계, 줄여서 GZK 한계(GZK limit)라고 부릅니다.

• GZK 한계란?: 우주 공간은 텅 비어 있는 것 같지만, 사실 빅뱅의 흔적인 우주배경복사(CMB)라는 빛으로 가득 차 있습니다. 아무리 에너지가 높은 우주입자라도 먼 거리를 여행하는 동안 이 빛들과 계속 부딪히면서 에너지를 잃게 됩니다. 과학자들은 계산을 통해 약 50 EeV(엑사전자볼트) 이상의 에너지를 가진 입자는 우리 은하 밖에서 온다면 에너지를 잃어 그 이하로 관측되어야 한다고 예측했습니다.

그런데 1991년, 이 GZK 한계를 훌쩍 뛰어넘는 320 EeV라는 경이로운 에너지의 입자가 발견되었습니다. 과학자들은 너무 놀라 오 마이 갓 입자(Oh-My-God particle)라는 별명을 붙여주었죠. 최근인 2021년에는 일본 연구팀이 주도하는 텔레스코프 어레이 실험에서 244 EeV에 달하는 입자를 발견하고 아마테라스 입자라고 이름 붙였습니다.
이 입자들의 존재는 두 가지 미스터리를 낳았습니다.

• 무엇이 이 입자들을 GZK 한계를 넘어설 정도로 가속시켰는가?

• 이 입자들은 어디에서 날아왔는가?

더욱 이상한 점은, 이 입자들이 날아온 방향을 역추적해 보아도 강력한 에너지를 만들어낼 만한 천체가 없는 텅 빈 우주 공간, 즉 보이드(void) 영역을 가리킨다는 것입니다.

오 마이 갓 입자

고에너지 우주입자의 용의자를 찾아서

과학자들은 이 미스터리를 풀기 위해 다양한 가설을 세우고 검증하고 있습니다. 현재 거론되는 주요 용의자들은 다음과 같습니다.

활동성 은하핵 (Active Galactic Nucleus, AGN)

은하 중심에 있는 초거대 질량 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키면서 내뿜는 강력한 제트가 입자를 엄청난 속도로 가속시킬 수 있다는 이론입니다. 블랙홀의 강력한 중력과 자기장이 입자 가속에 이상적인 환경을 제공할 수 있습니다.

감마선 폭발 (Gamma-Ray Burst, GRB)

우주에서 가장 강력한 폭발 현상 중 하나로, 거대한 별이 최후를 맞이하거나 중성자별이 충돌할 때 발생합니다. 이 순간적인 폭발이 주변 입자들을 GZK 한계를 넘어서는 수준까지 가속시킬 수 있다는 가능성이 제기됩니다.

은하단 충격파와 은하 필라멘트

은하들이 모여 있는 은하단 전체가 거대한 충격파를 형성하거나, 거미줄처럼 우주에 퍼져 있는 은하 필라멘트 구조의 자기장을 따라 입자들이 오랜 시간 동안 가속되었다는 가설도 있습니다. 최근 국내 연구진은 초고에너지 우주입자가 처녀자리 은하단에서 생성되어 은하 필라멘트를 따라 이동하다 지구로 왔을 가능성을 제시하기도 했습니다.


이러한 가설들을 검증하기 위해 미국 유타주 사막에 설치된 텔레스코프 어레이나 아르헨티나의 피에르 오제 관측소 같은 거대한 관측소에서는 수백, 수천 개의 검출기를 이용해 우주입자가 대기와 충돌하며 만드는 2차 입자들을 포착하여 그 흔적을 추적하고 있습니다.

감마선 폭발, 활동성 은하핵, 은하 필라멘트

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지식의 우주 코멘트

마치 명탐정이 범인의 행적을 쫓듯, 과학자들은 우주 곳곳에 남겨진 단서들을 모아 고에너지 우주입자라는 미스터리한 용의자의 정체를 밝히려 하고 있습니다. 어쩌면 이 입자들은 아인슈타인의 상대성이론을 넘어서는 새로운 물리 법칙의 존재를 암시하고 있을지도 모릅니다. 우주가 던지는 이 거대한 질문에 답을 찾아가는 과정 자체가 인류의 지식을 한 단계 더 넓혀주는 위대한 여정이 아닐까요? 앞으로 들려올 새로운 발견 소식을 함께 기다려 보아요.