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우주에서 날아오는 ‘극한에너지 입자’ 기원의 단서를 찾다

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우주에서 날아오는 ‘극한에너지 입자’ 기원의 단서를 찾다 사진1

이수창 교수 공동연구 ‘Science Advances’ 논문 발표

초고에너지 우주선 근원 밝힐 가설 제안

처녀자리 은하단에서 생성돼 떠돌다 지구에 도달

 

 

천문우주과학과 이수창 교수를 포함한 국내 연구진이 우주에서 날아오는 ‘초고에너지 입자’인 ‘초고에너지 우주선(Ultra-High-Energy Cosmic Ray)’의 기원을 밝힐 가설을 제안했다.

우주선은 초속 100m 속도의 야구공이 갖는 운동에너지와 맞먹는 엄청난 에너지를 가진 입자로서, 이번 연구에서 이 특별한 입자가 어디서 그리고 어떻게 생성됐는지 밝힐 단서를 포착했다.

이번 연구결과는 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 2019년 1월 2일(수) 온라인 판에 발표됐다(IF=11.51, 논문명: Filaments of Galaxies as a Clue to the Origin of Ultra-High-Energy Cosmic Rays).

인간이 지구에서 만들어낼 수 있는 입자의 최대 에너지가 10의 13승 전자볼트(electron volt)인데, 초고에너지 우주선은 이보다 백만~천만 배나 높은 에너지의 입자로서 우주에서 지구로 떨어지고 있다. 그러나 학계는 이처럼 엄청난 에너지를 가진 우주 입자가 어디서 그리고 어떻게 생성됐는지 아직 잘 모르고 있다.

연구진은 이번 연구에서 미국 유타주 사막에 설치된 입자검출장치가 관측한 초고에너지 우주선 자료를 조사했다. 그 결과, 초고에너지 우주선이 집중돼 있는 영역이 처녀자리 은하단(Virgo cluster)과 필라멘트(filament) 형태로 연결된 은하들의 구조에 모여 있다는 사실을 발견했다. 이러한 결과로부터, 초고에너지 우주선 입자들이 처녀자리 은하단 내 천체에서 생성된 후 우주 공간 속 자기장과 상호작용하면서 은하 필라멘트 구조(Filament structure of galaxies)를 따라 떠돌다가 지구에 도달해 검출되었을 가능성을 제시했다.

이번 연구는 초고에너지 우주선의 우주 공간 이동에 대한 최초의 연구로, 은하단 내 천체인 전파은하가 초고에너지 우주선의 기원일 수 있음을 강력하게 시사하고 있다. 따라서 21세기 천문학과 물리학계의 난제로 꼽히는 ‘초고에너지 우주선의 기원’을 규명하는 중요한 단서를 제공한다는 면에서 큰 의의를 갖는다.

이번 연구는 울산과기원 류동수 교수와 김지현 박사의 주도하에 부산대 강혜성 교수, 대전 한국천문연구원 김석 연구원, 충남대 이수창 교수가 참여한 공동연구진에 의해 수행됐다. 충남대 이수창 교수의 연구는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(SRC)과 중견연구사업의 지원으로 이뤄졌다.

이와 관련해 우주에서 은하들이 가늘고 길게 나열된 공간적 분포를 필라멘트라고 하는데, 이 필라멘트는 우주 거대 구조의 일부로서 은하단과 은하단을 연결한다. 공동연구진으로 참여한 이수창 교수와 김석 연구원은 처녀자리 은하단 주위의 광범위한 영역에 있는 은하의 관측 자료를 이용해 처녀자리 은하단과 중력적으로 연결된 필라멘트 구조를 처음으로 확인했다. 이 관측 자료는 이번 연구에서 초고에너지 우주선 입자가 은하단과 연결된 필라멘트구조에서 지구로 왔을 가능성을 제시하는 데 매우 중요한 기여를 했다. 




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