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“우주에서 떨어지는 ‘초고에너지 우주선’ 기원은 거대질량블랙홀”

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2019년 01월 03일 06:18 프린트하기

초고에너지 우주선의 경로를 컴퓨터 시뮬레이션으로 모사한 그림. 하얀색 점이 초고에너지 우주선이며, 생성 후 필라멘트를 따라 이동하다가 튕겨 나가는 모습을 보여준다. -사진제공 UNIST
초고에너지 우주선의 경로를 컴퓨터 시뮬레이션으로 모사한 그림. 하얀색 점이 초고에너지 우주선이며, 생성 후 필라멘트를 따라 이동하다가 튕겨 나가는 모습을 보여준다. -사진제공 UNIST

우주에서는 지구로 수많은 입자가 날아든다. 이런 입자 가운데 에너지가 큰 것을 ‘우주선’이라고 부르고, 그 중에서도 인간이 지구에서 가속기 등으로 만들 수 있는 가장 높은 입자보다 최대 1000만 배 에너지가 높은 입자를 ‘초고에너지 우주선’이라고 한다. 투수보다 빠른 시속 100km 이상의 속도로 야구공을 던질 때 공이 갖는 에너지와 같은데, 국제규격 축구장 약 135개 넓이인 1km2에 1년에 1개 떨어질 정도로 드물다. 초고에너지 우주선이 어디에서 왜 태어났는지는 그 동안 천문학의 난제였는데, 한국을 포함한 국제 연구팀이 최근 이 입자의 유력한 기원을 밝혀냈다.

 

김지현 UNIST 연구원과 류동수 교수, 강혜성 부산대 교수, 김석 한국천문연구원 연구원, 이수창 충남대 교수팀은 초고에너지 우주선이 우주에서 은하가 밀집한 ‘은하단’ 지역과, 은하단과 은하단이 연결된 ‘은하 필라멘트’ 지역에서 태어날 가능성이 높다는 사실을 밝혀 3일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표했다. 연구팀은 이들 은하의 중심부에 위치한, 태양보다 수백만~수백억 배 무거운 거대질량블랙홀에서 초고에너지 우주선이 태어난다고 추정했다.

 

기존 이론에서는 초고에너지 우주선의 기원을 크게 두 가지로 봤다. 하나는 우주의 구성 물질 중 하나로 중력을 내지만 눈에 보이지 않는 ‘암흑물질’이 우주 탄생 초기에 입자로 변하면서 태어났다는 가설이다. 다른 하나는 강력한 에너지를 내는 천체에서 태어났다는 이론이다. ‘우주 불꽃놀이’라고 불리는 감마선 폭발이나 거대질량블랙홀 등이 대표적인 후보다.

 

처녀자리 은하단(중심 부근 작은 점들의 집합)과 은하단에 연결된 6개의 은하 필라멘트(F1~F6). 검은색 원이 텔레스코프 어레이 실험에서 검출된 초고에너지 우주선이다. F1~F3 필라멘트 부근에서 많은 초고에너지 우주선이 발견됐다. -사진제공 UNIST
처녀자리 은하단(중심 부근 작은 점들의 집합)과 은하단에 연결된 6개의 은하 필라멘트(F1~F6). 검은색 원이 텔레스코프 어레이 실험에서 검출된 초고에너지 우주선이다. F1~F3 필라멘트 부근에서 많은 초고에너지 우주선이 발견됐다. -사진제공 UNIST

김 연구원팀은 미국 유타주에서 전파망원경으로 우주를 관측하는 미국과 일본, 러시아, 한국 등의 천문 관측 프로젝트인 ‘텔레스코프 어레이’를 통해 2008년 5월부터 2013년 5월까지 5년간 하늘을 관측한 데이터를 수집해 분석했다. 이 기간에 텔레스코프 어레이는 72개의 초고에너지 우주선을 검출했는데, 이 가운데 19개가 북두칠성 부근의 한 지역에서 집중적으로 발생했다는 사실을 발견했다. 이 지역 부근이 초고에너지 우주선이 탄생하는 곳 중 하나일 가능성이 높은 것이다.

 

김 연구원팀은 이 지역의 우주 구조를 확인한 결과, 수십~수백 개의 은하가 집중적으로 모여 있는 은하단, 그 중에서도 지구에서 약 5000만 광년 떨어진 ‘처녀자리 은하단’이 있음을 확인했다. 또 그 부근에 은하 필라멘트가 있다는 사실도 확인했다. 이를 바탕으로 연구팀은 초고에너지 우주선이 처녀자리 은하단 내에서 강한 전파와 입자(제트)를 방출하는 은하(처녀자리A 전파은하)에서 태어난 뒤, 은하 필라멘트를 따라 떠돌다 일부가 튀어 지구로 날아왔을 가능성을 제기했다. 처녀자리A전파은하 중심부에는 거대질량블랙홀이 있어, 이 블랙홀이 초고에너지 우주선의 ‘고향’일 것으로 추정됐다.

 

연구 총책임자인 류 교수는 “거대질량블랙홀을 포함하는 은하와, 은하단에 존재하는 충격파 등이 초고에너지 우주선의 기원일 가능성을 강력하게 시사하는 연구”라고 말했다.
 

처녀자리은하단의 모습(왼쪽 위)을 보면 길게 제트가 뿜어져 나오는 모습(기둥처럼 보이는 부분)이 보인다. 이 부분을 확대한 게 왼쪽 아래로, 그 왼쪽 긑에 처녀자리A전파은하(M87)가 존재하는 것으로 추정된다. 오른쪽이 은하의 확대 모습이다. 이곳 중심부에는 거대질량블랙홀이 있는데, 이것이 초고에너지 우주선의 기원으로 추정된다. -사진제공 미국국립전파천문대
처녀자리은하단의 모습(왼쪽 위)을 보면 길게 제트가 뿜어져 나오는 모습(기둥처럼 보이는 부분)이 보인다. 이 부분을 확대한 게 왼쪽 아래로, 그 왼쪽 끝에 처녀자리A전파은하(M87)가 존재하는 것으로 추정된다. 오른쪽이 은하의 확대 모습이다. 이곳 중심부에는 거대질량블랙홀이 있는데, 이것이 초고에너지 우주선의 기원으로 추정된다. -사진제공 미국국립전파천문대
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