국내 연구진, 지구로 오는 '초속 100ｍ급 우주 에너지' 미스터리 실마리 밝혀

국내 연구진이 초속 100ｍ급으로 날아가는 야구공 수준의 운동 에너지를 가진 우주 입자의 생성 원인을 밝힐 가설을 내놓았다.

류동수 UNIST 교수가 이끄는 한국 연구진은 우주에서 지구로 날아오는 ‘초고에너지 우주선(Ultra-High Energy Cosmic Ray)’의 생성과 관련한 가설을 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 3일 발표했다.

초고에너지 우주선(線)은 10의 20승 전자볼트(1020eV) 이상의 위력을 지니고 있다. 인간이 지구에서 만들어낼 수 있는 최대 에너지가 10의 13승 전자볼트라는 걸 감안하면 이보다 100만~1000만배 강한 에너지 수준이다.

초고에너지 우주선은 서울시 면적 만한 지역에 약 1년에 1개 꼴로 떨어진다. 다만 날아오는 과정에서 지구 대기권과 충돌하기 때문에 그 위력이 분산돼 실질적으로 지구에 미치는 영향은 미미하다.

미국 유타주의 텔레스코프 어레이 국제공동실험그룹은 2008년 5월 11일부터 2013년 5월 4일까지 5년에 걸쳐 72개의 초고에너지 우주선(5.7×1019eV 이상)을 검출했다. 이 가운데 19개가 큰곰자리 북두칠성 부근의 비교적 좁은 영역에서 나온 것으로 밝혀졌지만, 북두칠성 근처에는 초고에너지 우주선이 만들어질 만한 천체가 없기 때문에 천문학계의 큰 미제로 남아 있었다.

류 교수 연구팀은 초고에너지 우주선이 집중된 영역에 처녀자리 은하단과 연결된 은하 필라멘트들이 있는 걸 발견했다. 연구팀은 처녀자리 은하단 속 천체에서 초고에너지 우주선이 생성돼 은하 필라멘트를 따라 이동하다가 지구로 왔을 가능성을 높게 보고 컴퓨터 시뮬레이션으로 모사하는 과정을 거쳤다. 필라멘트는 은하들이 가늘고 길게 나열된 줄 형태의 천체다. 필라멘트가 교차하는 지점에 은하단이 위치한다.

연구팀은 초고에너지 우주선이 은하단 속 천체에서 만들어졌고, 우주 공간 속 자기장과 상호작용하면서 은하 필라멘트를 따라 이동한다고 봤다. 이동 중 일부 입자가 우리은하 방향으로 튕겨지면서 지상에서 드문 드문 검출된다는 게 연구팀의 설명이다.

류 교수는 “처녀자리 은하단에는 ‘처녀자리 A 전파은하(Virgo A Radio Galaxy)’처럼 초거대질량 블랙홀을 포함하는 활동성은하핵도 포함돼 있다”며 “이런 은하와 은하단 충격파 등이 초고에너지 우주선을 만들어냈을 것으로 보고 있다”고 설명했다.

이번 연구는 초고에너지 우주선의 우주 공간 이동에 대해 연구한 첫 번째 사례다.

윤희은 기자 soul@hankyung.com