UNIST(총장 정무영)는 류동수 자연과학부 교수가 이끄는 한국 연구진이 극한의 에너지를 가진 우주 입자인 '초고에너지 우주선(Ultra-High Energy Cosmic Ray)'의 생성 관련 가설을 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인판에 지난 2일 발표했다고 3일 밝혔다. 

이 입자들이 처녀자리(Virgo) 은하단 내 천체에서 생성돼 그와 연결된 은하 필라멘트(Filament of Galaxy)를 따라 떠돌다가 지구로 왔다고 제안한 것이다. 

우주에서 지구로 날아오는 입자 중에서 큰 에너지를 가진 것들을 '우주선(Cosmic Ray)'이라 부른다.

이중 높은 에너지를 가진 입자를 '초고에너지 우주선'이라고 하는데, 입자 하나의 에너지가 10의 20승 전자볼트(1020eV) 이상인 것도 있다.

인간이 지구에서 만들어낼 수 있는 입자의 최대 에너지가 10의 13승 전자볼트이다. 이보다 100~1000만배 높은 에너지 입자가 우주에서 지구로 떨어지는 것이다. 

이 입자가 어디서 어떻게 생성됐는지는 모르지만 남·북반구에 설치된 거대 망원경으로 초고에너지 우주선을 관측하며, 그 기원을 밝힐 자료를 축적하고 있다.

최근 성과는 미국 유타주 사막에 설치된 입자검출장치인 '텔레스코프 어레이(Telescope Array)'에서 나왔다. 

텔레스코프 어레이 국제공동실험그룹은 지난 2008년 5월 11일부터 2013년 5월 4일까지 5년에 걸쳐 72개의 초고에너지 우주선(5.7×1019eV 이상)을 검출했다.

이중 19개가 큰곰자리 북두칠성 부근의 비교적 좁은 영역(hotspot)에서 나왔다. 북두칠성 근처에는 초고에너지 우주선이 만들어질 만한 천체가 없다는 점에서 천체물리학자들은 여러 가능성을 살펴보고 있다.

우주는 거미줄처럼 그물망(Cosmic Web)을 이루고 있다. 여기서 필라멘트는 은하들이 가늘고 길게 나열된 줄 형태의 천체이고, 필라멘트가 교차하는 지점에 은하단이 위치한다.

이번 연구에 따르면, 초고에너지 우주선은 은하단 속 천체에서 만들어졌고, 우주 공간 속 자기장과 상호작용하면서 은하 필라멘트를 따라 이동한다. 그러다 일부 입자가 우리은하 방향으로 튕겨져 지상에서 드물게 검출된다. 

류동수 교수는 "처녀자리 은하단에는 '처녀자리 A 전파은하(Virgo A Radio Galaxy)'처럼 초거대질량 블랙홀을 포함하는 활동성은하핵도 포함돼 있다"며 "이런 은하와 은하단 충격파 등이 초고에너지 우주선의 기원일 수 있음을 강력하게 시사하는 연구"라고 설명했다.

그는 이어 "초고에너지 우주선의 우주 공간 이동을 연구한 첫 번째 사례"라며 "21세기 천문학과 물리학계의 난제로 꼽히는 '초고에너지 우주선의 기원'을 규명하는 중요한 단서가 될 것"이라고 덧붙였다. 
 
이번 연구의 제1저자는 김지현 UNIST 박사후연구원, 교신저자는 류동수 교수이다. 강혜성 부산대 교수와 김석 한국천문연구원 박사후연구원, 이수창 충남대 교수가 함께 참여했다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업의 지원을 받았다.