빛의 속도에 가깝게 우주를 날아오는 고에너지 입자 우주선. 매초 수백 개가 우리 몸을 관통하지만 100년 넘게 그 기원은 미스터리였습니다. 초신성, 블랙홀, 중성자별이 만드는 우주선의 비밀을 탐구합니다. 오늘은 "우주를 날아오는 고에너지 입자, 우주선의 기원을 찾아서"에 대해서 살펴보겠습니다.
우주를 날아오는 고에너지 입자
1912년, 오스트리아 물리학자 빅토르 헤스가 기구를 타고 올라갔다. 고도 5,000미터까지 갔다. 전리함을 가져갔다. 방사선을 측정했다. 놀라운 결과가 나왔다. 높이 올라갈수록 방사선이 강했다. 지상보다 10배 강했다. 이상했다. 방사선이 땅에서 온다면 낮아야 했다. 반대였다. 하늘에서 왔다. 우주에서 왔다. 우주선이었다. Cosmic Rays다. 헤스는 노벨상을 받았다. 1936년이었다. 우주선은 무엇일까. 고에너지 입자다. 주로 양성자다. 90퍼센트가 수소 원자핵이다. 9퍼센트가 헬륨이다. 나머지는 무거운 원소들이다. 거의 빛의 속도로 날아온다. 에너지가 엄청나다. 지구 대기에 부딪친다. 2차 입자들을 만든다. 소나기처럼 쏟아진다. 공기 샤워라 부른다. 지표에 도달한다. 우리 몸을 관통한다. 매초 수백 개다. 느끼지 못한다. 대부분 무해하다. 하지만 가끔 DNA를 손상시킨다. 돌연변이를 일으킨다. 진화에 기여했을 수 있다. 비행기 승무원은 더 많이 노출된다. 우주 비행사는 훨씬 더 많다. 건강 위험이 있다. 우주선은 어디서 올까. 100년 넘게 미스터리였다. 태양에서 온다고 생각했다. 하지만 에너지가 너무 높았다. 태양으론 설명 안 됐다. 은하수 밖에서 올까. 대부분은 아니다. 은하 안에서 온다. 하지만 어디서 가속되나. 무엇이 그렇게 빠르게 만드나. 답을 찾는 데 100년 걸렸다.
초신성 잔해에서 가속되는 입자들
1949년, 엔리코 페르미가 가설을 냈다. 충격파가 입자를 가속한다는 것이다. 초신성이 폭발하면 충격파가 퍼진다. 빠르게 팽창한다. 입자가 충격파를 왔다 갔다 한다. 충돌할 때마다 에너지를 얻는다. 탁구공처럼. 계속 가속된다. 결국 우주선이 된다. 페르미 가속이라 부른다. 하지만 증거가 없었다. 이론뿐이었다. 2013년, 페르미 위성이 증거를 찾았다. 초신성 잔해 IC 443과 W44를 관측했다. 감마선을 봤다. 특별한 패턴이었다. 파이온 붕괴 신호였다. 파이온은 양성자가 충돌하며 만든다. 고에너지 양성자가 있다는 뜻이다. 우주선이 가속되고 있었다. 초신성 잔해가 우주선 공장이었다. 하지만 모든 우주선을 설명 못 한다. 에너지가 한계가 있다. 10^15 전자볼트 정도까지다. 무릎이라 부른다. 우주선 스펙트럼이 꺾이는 지점이다. 더 높은 에너지는 다른 기원이 필요하다. 초거대 블랙홀 제트일 수 있다. 활동성 은하핵이다. 물질을 집어삼키며 제트를 쏜다. 빛의 속도에 가깝다. 입자를 극한으로 가속한다. 10^18 전자볼트 이상도 가능하다. 발목이라 부른다. 스펙트럼이 또 꺾인다. 은하 밖 우주선이 들어오기 시작한다. 은하 자기장이 낮은 에너지는 가둔다. 높은 에너지만 뚫고 들어온다. 가장 높은 에너지는 10^20 전자볼트다. 오 마이 갓 입자라 불린다. 1991년 관측됐다. 유타 상공이었다. 에너지가 상상을 초월했다. 테니스공을 시속 100킬로미터로 던진 것과 같았다. 원자 하나에 그 에너지가 있었다. 어떻게 가능할까. 모른다. 가장 강력한 가속기도 못 만든다.
우주선으로 보는 보이지 않는 우주
우주선은 천문학의 새 창이다. 빛으로 볼 수 없는 걸 본다. 전하를 띠니까 자기장에 휘어진다. 직선으로 안 온다. 출발점을 모른다. 어디서 왔는지 추적 못 한다. 하지만 정보를 준다. 에너지 분포를 본다. 원소 구성을 본다. 우주의 가속기를 연구한다. 중성미자가 함께 온다. 우주선이 물질과 충돌하면 중성미자가 생긴다. 중성미자는 전하가 없다. 직진한다. 출발점을 안다. 2017년, IceCube가 중성미자를 잡았다. 남극 얼음 속 검출기다. 고에너지 중성미자였다. 출발점을 찾았다. 블레이저 TXS 0506+056이었다. 40억 광년 떨어졌다. 블랙홀 제트가 지구를 향했다. 페르미 위성이 감마선도 봤다. 일치했다. 우주선 기원을 확인했다. 블레이저가 우주선을 만든다. 적어도 일부는. 우주선 관측소들이 세워졌다. 피에르 오제 천문대가 가장 크다. 아르헨티나에 있다. 3,000제곱킬로미터다. 서울의 5배다. 1,600개 검출기가 퍼졌다. 고에너지 우주선을 잡는다. 공기 샤워를 본다. 형광 망원경도 쓴다. 대기가 빛나는 걸 본다. 우주선이 통과하며 만든 빛이다. 매년 수십 개 극고에너지 우주선을 잡는다. 방향을 기록한다. 패턴을 찾는다. 출처를 추적한다. 중성미자 망원경도 늘었다. IceCube가 1세제곱킬로미터를 감시한다. 남극 얼음 1킬로미터 깊이다. 5,160개 센서가 박혔다. 중성미자가 지나가며 빛을 낸다. 체렌코프 빛이다. 이걸 잡는다. 년간 수십 개 고에너지 중성미자를 본다. 우주선 기원을 추적한다. 바이칼 망원경도 있다. 러시아 바이칼 호에 있다. 지중해에도 건설 중이다. KM3NeT다. 우주선은 우주의 역사를 담는다. 원소 비율을 본다. 별이 어떻게 진화했는지 안다. 초신성이 얼마나 터졌는지 추정한다. 은하 자기장도 연구한다. 우주선이 휘는 정도를 본다. 자기장 세기를 계산한다. 구조를 매핑한다. 암흑물질도 찾는다. 우주선이 충돌하며 암흑물질 신호를 낼 수 있다. 양전자 과잉이 관측됐다. 암흑물질일 수도 있다. 논란이다. 우주선. 하늘에서 내려오는 고에너지 입자들이다. 100년 미스터리가 풀리고 있다. 초신성, 블랙홀, 중성자별이 만든다. 우주의 가속기들이다. 보이지 않는 우주를 드러낸다.