신비한 초고에너지 우주선에 충격을 받은 천문학자들 – ‘도대체 무슨 일이 벌어지고 있는 걸까?’

유타 대학교와 망원경 배열(Telescope Array)의 천체물리학자들은 이론적인 한계를 뛰어넘는 에너지를 지닌 우주선을 발견하여 입자 물리학에 대한 현재의 이해에 도전하고 있습니다. OMG 및 아마테라스 입자를 포함한 이러한 발견은 알려지지 않은 우주 현상을 가리키며 지속적인 연구의 초점입니다.

오마이갓(Oh-My-God) 입자 다음으로 새로 명명된 아마테라스(Amaterasu) 입자는 희귀한 초고에너지 우주선의 기원, 전파 및 입자 물리학에 대한 미스터리를 심화시킵니다.

1991년 유타 대학교에서 실시한 파리의 눈 실험에서는 지금까지 관찰된 것 중 가장 높은 에너지의 우주선을 밝혀냈습니다. 나중에 오 마이 갓(Oh My God) 입자라고 불리는 우주 광선의 에너지는 천체 물리학자들에게 충격을 주었습니다. 우리 은하계의 어떤 것도 그것을 생성할 수 있는 능력을 갖고 있지 않았으며, 그 입자는 다른 은하계에서 지구로 이동하는 우주선에 대해 이론적으로 가능한 것보다 더 많은 에너지를 가지고 있었습니다. 간단히 말해서, 입자가 거기에 있어서는 안 됩니다.

천문학적 퍼즐

이후 망원경 배열은 30개 이상의 고에너지 우주선을 감지했지만 그 에너지 수준에 도달한 우주선은 없습니다. 아직까지 그 기원이나 어떻게 지구로 이동할 수 있었는지는 밝혀진 관측이 없습니다.

아마테라스 입자라고 불리는 어레이 망원경의 표면 검출기 배열로 관찰된 고에너지 우주선에 대한 예술가의 그림. 출처: 오사카시립대학/L-Insight, 교토대학/다케시게 류노스케

2021년 5월 27일, 텔레스코프 어레이(Telescope Array) 실험에서 두 번째로 높은 에너지를 지닌 우주선이 검출되었습니다. 크기 2.4×10²⁰볼트, 이 단일 아원자 입자의 에너지는 허리 높이에서 발가락에 돌을 떨어뜨리는 것과 같습니다. 유타 대학교(U)와 도쿄 대학교가 이끄는 망원경 배열은 700km를 포괄하는 정사각형 격자로 배열된 507개의 표면 탐지 스테이션으로 구성됩니다.² (~270마일²) 유타주 서부 사막에 있는 델타 외곽. 이 사건으로 인해 망원경 배열의 북서쪽 지역에 있는 48km 거리에 분산된 23개의 탐지기가 작동되었습니다.² (19.5 마일²). 그것이 도달한 방향은 바로 옆에 있는 빈 공간인 국지적 보이드(local void)에서 온 것으로 보인다. 은하수 은하.

“입자는 매우 높은 에너지이므로 은하계 및 은하외 자기장에 영향을 받아서는 안 됩니다. 입자는 하늘 어디에서 왔는지 가리킬 수 있어야 합니다.”라고 University of Telescope Array의 대변인인 John Matthews는 말했습니다. 캘리포니아이자 이번 연구의 공동 저자입니다. 그러나 오마이갓 입자와 이 새로운 입자의 경우에는 그 근원을 추적할 수 있으며 그것을 생성할 만큼 높은 에너지는 없습니다. 이것이 바로 비밀입니다. 도대체 무슨 일이 벌어지고 있는 걸까요?

아마테라스 입자

2023년 11월 24일 잡지에 게재된 메모에서 과학, 연구자들의 국제 협력은 매우 높은 에너지의 우주선을 기술하고 그 특성을 평가한 후 희귀한 현상이 과학에 알려지지 않은 입자 물리학을 따를 수 있다는 결론을 내렸습니다. 연구자들은 이를 일본 신화에 나오는 태양 여신의 이름을 따서 아마테라스 입자라고 명명했습니다. 오마이갓(Oh-My-God)과 아마테라스(Amaterasu) 입자는 다양한 관찰 기술을 사용하여 발견되었으며, 이러한 극도로 높은 에너지 사건이 드물기는 하지만 실제로 발생한다는 것을 확인했습니다.

전자기장의 영향을 받는 약한 우주선과 대조적으로 높은 에너지 현상을 설명하기 위한 초에너지 우주선 천문학의 예술적 일러스트레이션입니다. 출처: 오사카시립대학/교토대학/다케시게 류노스케

이번 연구의 공동저자이자 U.S. 교수인 존 베일스(John Bales)는 “이러한 사건은 하늘의 완전히 다른 곳에서 오는 것 같다. 하나의 신비한 근원이 있는 것 같지 않다”고 말했다. 시공간, 우주 끈의 충돌. 내 말은, 나는 전통적인 설명이 없기 때문에 사람들이 생각해내는 미친 아이디어에 대해서만 이야기하고 있는 것입니다.

천연 입자 가속기

우주선(Cosmic Rays)은 물질을 아원자 구조로 분해하여 거의 빛의 속도로 우주 전역으로 던지는 격렬한 천체 사건의 메아리입니다. 우주선은 기본적으로 양의 양성자, 음의 전자 또는 전체 원자핵으로 구성된 광범위한 에너지를 가진 하전 입자로, 우주를 통과하여 거의 연속적으로 지구에 떨어집니다.

우주선은 지구의 대기권 상층부에 부딪혀 산소와 질소 가스의 핵을 폭발시켜 많은 2차 입자를 생성합니다. 이러한 입자는 대기 중으로 짧은 거리를 이동하고 이 과정을 반복하여 표면에 흩어지는 수십억 개의 2차 입자를 생성합니다. 이 보조 샤워기의 면적은 엄청나며 탐지기가 망원경 배열만큼 큰 면적을 커버해야 합니다. 표면 탐지기는 연구원에게 각 우주선에 대한 정보를 제공하는 장치 조합을 사용합니다. 신호의 타이밍은 경로를 보여주고, 각 검출기에 부딪히는 하전 입자의 양은 기본 입자의 에너지를 드러냅니다.

입자에는 전하가 있기 때문에 입자의 비행 경로는 우주 마이크로파 배경을 통해 전자기장에 대해 지그재그로 움직이는 핀볼 기계의 공과 유사합니다. 에너지 스펙트럼의 중간 정도에 해당하는 대부분의 우주선의 경로를 추적하는 것은 거의 불가능합니다. 고에너지 우주선조차도 마이크로파 배경에 의해 왜곡됩니다. 오마이갓과 아마테라스의 에너지가 담긴 입자는 상대적으로 구부러지지 않은 형태로 은하계 공간을 통해 폭발합니다. 오직 가장 강력한 천계 사건만이 그것을 만들어낼 수 있습니다.

Matthews는 “사람들이 초신성처럼 활동적이라고 생각하는 것들은 그렇게 할 만큼 에너지가 부족합니다. 입자가 가속될 때 이를 가두기 위해서는 엄청난 양의 에너지와 매우 높은 자기장이 필요합니다.”라고 말했습니다.

초에너지 우주선의 비밀

고에너지 우주선은 5 x 10을 초과해야 합니다.¹⁹ 볼트. 이는 하나의 아원자 입자가 메이저 리거의 패스트볼과 동일한 운동 에너지를 전달하고, 인공 입자 가속기가 달성할 수 있는 것보다 수천만 배 더 많은 에너지를 가지고 있음을 의미합니다. 천체물리학자들은 Gryssen-Zatsepian-Kuzmin(GZK) 컷오프로 알려진 이 이론적 한계를 계산했습니다. 이는 양성자가 장거리를 이동하는 동안 마이크로파 배경 복사 상호작용이 에너지를 빼앗아 갈 수 있는 최대 에너지량으로 간주됩니다. 활성 은하핵이나 입자 제트를 방출하는 강착 원반이 있는 블랙홀과 같은 알려진 후보 소스는 지구에서 1억 6천만 광년 이상 떨어져 있는 경향이 있습니다. 새 입자는 2.4×10입니다.²⁰ 볼트와 입자, 이런, 3.2 x 10²⁰ 볼트는 컷오프를 쉽게 초과합니다.

연구자들은 또한 우주선의 기원에 대한 단서를 찾기 위해 우주선의 구성을 분석하고 있습니다. 철 핵과 같은 무거운 입자는 수소 양성자로 만들어진 가벼운 입자보다 더 무겁고, 더 큰 전하를 가지며, 자기장에서 휘어질 가능성이 더 높습니다. 옥수수. 새로운 입자는 양성자일 가능성이 높습니다. 입자 물리학에서는 GZK 컷오프를 초과하는 에너지를 가진 우주선이 너무 강력해서 마이크로파 배경이 경로를 왜곡할 수 없지만 경로 지점을 빈 공간으로 추적한다고 규정합니다.

“자기장은 우리가 생각했던 것보다 더 강할 수 있지만 이는 10~20MeV의 에너지에서 상당한 곡률을 생성할 만큼 강하지 않다는 것을 보여주는 다른 관찰과 일치하지 않습니다.”라고 Bales는 말했습니다. “정말 미스터리네요.”

검색 및 망원경 배열 확장

그만큼 망원경 배열 이는 매우 높은 에너지의 우주선을 감지할 수 있는 독특한 위치에 있습니다. 이 곳은 약 1,200미터(4,000피트)의 고도에 위치해 있는데, 이는 2차 입자가 최대로 발달하지만 붕괴되기 전에 이상적인 고도 지점입니다. 유타 서부 사막에 위치한 이 곳은 두 가지 면에서 이상적인 기상 조건을 제공합니다. 즉, 습기가 감지에 필요한 자외선을 흡수하기 때문에 건조한 공기가 매우 중요합니다. 어두운 하늘이 필요한 이유는 빛 공해가 많은 소음을 발생시키고 우주 광선을 차단하기 때문입니다.

천체물리학자들은 아직도 이 불가사의한 현상에 의아해하고 있습니다. 망원경 배열은 이 문제를 해결하는 데 도움이 되기를 희망하는 확장 프로세스 중입니다. 일단 완료되면 500개의 새로운 섬광 탐지기가 망원경의 배열을 확장하고 2,900km에 걸쳐 우주선에 의해 생성된 입자의 샘플 소나기를 확장할 것입니다.² (1100마일² ), 로드 아일랜드 주 크기 정도의 지역입니다. 더 큰 발자국이 무슨 일이 일어나고 있는지 밝혀줄 더 많은 이벤트를 포착할 수 있기를 바랍니다.

이 발견에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하세요.

참고: “표면 검출기 어레이에 의해 검출된 매우 강력한 우주선” 2023년 11월 23일, 과학.
도이: 10.1126/science.abo5095