“현재로서는 최초의 슈퍼 우주선 가속기(super cosmic ray accelerator)가 확인됐다. 이전 이론에서는 에너지가 낮은 광선만이 은하 내에서 발생한다는 것이었다.”

중국 남서부 천문대의 과학자들은 은하계(galaxy : 갤럭시)에서 우주선(宇宙線, cosmic rays)의 기원과 근원에 대한 이해를 근본적으로 바꿀 수 있는 발견인 ‘슈퍼 우주선 가속기(a super cosmic ray accelerator)를 확인했다고 말했다고 홍콩의 사우스 차이나 모닝 포스트(SCMP)가 27일 보도했다.

태양계보다 약 천만 배0더 큰 거품 같은 구조의 존재는 초고에너지 감마선(ultra-high energy gamma rays)이 어떻게 은하수(Milky Way) 내에서 기원했는지에 대한 이전 이론과는 달리 ‘어떻게 시작됐는지 설명할 수 있다“고 중국 과학자들이 말했다.

26일에 발표된 사이언스 블레틴(Science Bulletin) 논문에 따르면, 이 구조는 쓰촨성의 대형 고고도 공기 샤워 관측소 (Lhaaso, Large High Altitude Air Shower Observatory)를 통해 백조자리 별자리(Cygnus constellation)에서 관찰됐다.

교신 저자인 중국과학원 고에너지물리연구소(Institute of High Energy Physics) 교수인 차오전(Cao Zhen)은 국영 신화통신과의 인터뷰에서 “이것은 현재 확인된 최초의 슈퍼 우주선 가속기”라고 말했다.

우주선(Cosmic Rays)은 거의 빛의 속도로 공간을 이동하는 전하를 띤 입자이다. 비록 100여년 전에 발견되었지만, 과학자들은 지구에 도달하는 광선이 어떻게 형성되었고, 어디서 발생했는지 여전히 확신하지 못하고 있었다.

이전 우주선의 에너지 스펙트럼은 에너지 측정 단위인 1 페타 전자볼트 (PeV=peta electron volt) 에너지 준위 부근에서 변곡점을 보여주었다. 이는 그래프의 모양 때문에 ‘무릎(knee)으로 불린다.

차오전 교수는 “1 PeV보다 낮은 에너지를 가진 우주선은 은하수 내에서 발생하는 것으로 생각되는 반면, 이 지점 이상의 에너지를 갖는 광선은 우리 은하 외부에서 발생하는 것으로 생각된다”고 쓰촨 뉴스 네트워크(Sichuan News Network)에 말했다.

그러나 2020년에 Lhaaso는 백조자리에서 발생하는 1 PeV 이상의 에너지를 갖는 우주선에 의해 생성된 초고에너지 광자를 발견했다. 최신 논문에서는 이러한 광선이 어떻게 형성되었는지 자세히 설명한다.

연구원들은 백조자리 X라고 불리는 별자리의 별 형성 영역에 있는 거품 같은 구조에 2.5 PeV에 달하는 광자를 포함하여, 1 PeV를 초과하는 여러 개의 광자가 포함되어 있음을 발견했다.

거품의 중심에서 팀은 젊고 뜨거운 별이 많이 포함된 백조자리 OB2라는 거대한 성단을 식별했으며, 일부는 표면 온도가 섭씨 35,000도 이상에 달한다. 이는 슈퍼 우주선 가속기일 수 있다는 설명이다.

논문에 따르면, 기포의 구조와 에너지 스펙트럼은 "핵심에 입자 가속기가 있다는 가정에 의해 합리적으로 재현된다"고 한다.

우주선 가속기는 10~25PeV의 에너지로 우주선을 성간 공간에 주입할 수 있으며, 이 광선은 성간 가스와 충돌하여 1PeV 이상의 에너지를 갖는 관측된 광자를 생성한다.

차오전 교수는 쓰촨 뉴스 네트워크와의 인터뷰에서 “성단에 있는 별들의 복사 강도가 태양의 1억에서 100만 배”라고 말했다. 복사압(radiation pressure)에 의해 별 표면에서 날아간 물질은 성간 물질과 충돌하는 고속 바람을 생성하여 입자 가속기를 형성한다.

“가속기가 형성된 후 양성자가 지배하는 미세한 입자는 극도로 높은 에너지로 가속되는데, 이는 우리가 지구상에서 관찰하는 우주선”이라고 차오전 교수는 말했다.

연구진은 기포 구조(bubble structure)를 둘러싼 가스가 고에너지 입자가 성간 공간(interstellar space)으로 가속되면서 생성되는 감마선의 강도와 상관관계가 있다는 사실을 발견했다.

연구팀은 “강력한 가정은 우리 은하계의 모든 우주선 소스가 우주선의 거품이나 후광을 가지고 있다는 것”이라고 논문에 설명했다. 우주선의 확산 속도는 예상보다 훨씬 느려서 이전에 생각했던 것보다 100배나 느려서 연구자들이 거품을 관찰할 수 있게 되었다는 것이다.

차오전 교수는 신화통신과의 인터뷰에서 “관측 시간이 늘어남에 따라 라소(Lhaaso)는 더 많은 슈퍼 우주선 가속기를 감지할 것으로 예상돤다”면서 “추가 발견이 우주선의 기원에 대한 한 세기 동안의 수수께끼를 풀 수 있기를 희망한다”고 덧붙였다.

이탈리아 국립 천체물리학 연구소의 천체물리학자인 엘레나 아마토(Elena Amato)는 이번 연구 결과가 “은하계의 우주선 수송(cosmic ray transport)에 대한 우리의 설명과 매우 관련 있는 결과를 가져왔다"고 말했다.