극고에너지 우주선은 우주배경복사와 충돌하며 에너지를 잃어 5천만 광년 이상 날아올 수 없습니다. 하지만 관측되는 초고에너지 우주선들은 이 한계를 깨는 듯 보입니다. GZK 한계의 수수께끼를 탐구합니다. 오늘은 GZK 한계의 비밀, 우주선이 넘을 수 없는 벽에 대해서 살펴보겠습니다
우주선의 속도 제한
1966년, 세 명의 물리학자가 예측을 했다. 케네스 그라이젠, 게오르기 자체핀, 바딤 쿠즈민이었다. 이니셜을 따서 GZK 한계라 불린다. 극고에너지 우주선은 멀리 못 온다는 것이다. 우주배경복사 때문이다. 빅뱅의 잔광이다. 온도가 2.7켈빈이다. 마이크로파다. 우주에 가득하다. 고에너지 우주선이 이 광자와 충돌한다. 파이온을 만든다. 에너지를 잃는다. 계속 충돌한다. 결국 멈춘다. 계산해 보니 50메가파섹이 한계였다. 1억 6천만 광년이다. 더 먼 곳에서 온 우주선은 도착 못 한다. 에너지가 너무 많이 줄어든다. 10^19.5 전자볼트 이하로 떨어진다. GZK 컷오프라 부른다. 이론은 명확했다. 관측을 기다렸다. 1990년대, 대형 우주선 관측소가 생겼다. 아가사, 하베라 파크, 야쿠츠크가 있었다. 고에너지 우주선을 잡았다. 충격적 결과가 나왔다. GZK 한계를 넘는 우주선이 있었다. 10^20 전자볼트 이상이었다. 어떻게 가능할까. 너무 멀리서 왔다면 에너지가 줄었어야 한다. 가까이서 왔다면 기원이 뭘까. 은하 몇 개 없는 지역이었다. 초고에너지 가속기가 필요하다. 무엇이 만들까. GZK 역설이었다. 이론과 관측이 안 맞았다. 가능성이 셋이었다. 첫째, 이론이 틀렸다. 우주배경복사와 상호작용이 약하다. 하지만 양자전기역학은 정밀하다. 틀릴 가능성이 낮다. 둘째, 아주 가까운 곳에 강력한 가속기가 있다. 찾지 못했을 뿐이다. 셋째, 새로운 물리다. 초대칭 입자일 수 있다. 로렌츠 불변성이 깨졌을 수 있다. 흥미로웠다. 하지만 확인이 필요했다.
피에르 오제의 정밀 관측
2004년, 피에르 오제 천문대가 가동됐다. 아르헨티나 팜파스 평원이다. 3,000제곱킬로미터다. 서울의 5배다. 1,600개 물 체렌코프 검출기가 퍼졌다. 1.5킬로미터 간격이다. 24개 형광 망원경도 있다. 밤하늘을 본다. 우주선이 대기를 뚫으며 빛을 낸다. 이걸 잡는다. 양쪽 데이터를 조합한다. 에너지를 정밀 측정한다. 방향도 정확히 안다. 2007년, 첫 결과를 발표했다. 27개 초고에너지 우주선을 잡았다. 6 × 10^19 전자볼트 이상이었다. 방향을 분석했다. 은하 분포와 연관이 있었다. 활동성 은하핵 방향이었다. 블랙홀 제트를 가진 은하들이다. 거리는 대부분 75메가파섹 이내였다. 2억 4천만 광년이다. GZK 한계와 맞았다. 더 먼 것도 있었다. 하지만 적었다. 통계적으로 유의미했다. GZK 컷오프가 있었다. 2010년, 더 많은 데이터를 발표했다. 스펙트럼을 봤다. 명확한 컷오프가 보였다. 4 × 10^19 전자볼트에서 급격히 줄었다. GZK 예측과 정확히 맞았다. 역설이 해결됐다. 초기 관측이 통계가 부족했다. 몇 개만 잡았다. 우연히 가까운 곳에서 온 것들이었다. 더 많이 모으니 패턴이 보였다. GZK 한계는 실재했다. 하지만 여전히 초고에너지 우주선이 온다. 어디서 가속되나. 활동성 은하핵이 유력하다. 초거대 블랙홀 제트다. 엄청난 에너지를 낸다. 입자를 극한으로 가속한다. 케이사도 후보다. 감마선 폭발도 가능하다. 별 폭발의 극단이다. 제트가 빛의 속도로 쏜다. 중성자별 병합도 고려된다. 중력파와 함께 입자를 쏜다. 아직 확실하지 않다. 우주선은 전하를 띤다. 자기장에 휜다. 직선으로 안 온다. 출발점을 정확히 못 찾는다. 근사적으로만 안다. 중성미자와 광자도 함께 와야 한다. 우주선이 생성될 때 같이 만들어진다. 중성미자는 직진한다. 출발점을 정확히 안다. IceCube가 찾고 있다. 고에너지 중성미자를 잡는다. 우주선 기원과 연결한다. 감마선도 본다. 페르미, 베리타스, H.E.S.S.가 관측한다. 초고에너지 감마선을 찾는다. 세 신호를 모두 잡으면 확실하다. 다중신호 천문학이다.
새로운 물리의 가능성
GZK 한계는 확인됐다. 하지만 예외가 있을 수 있다. 새로운 물리 때문일 수 있다. 로렌츠 불변성이 깨질 수 있다. 특수상대성이론의 기본 원리다. 모든 관성계에서 물리 법칙이 같다는 것이다. 빛의 속도도 일정하다. 하지만 플랑크 스케일에선 깨질 수 있다. 양자 중력 효과다. 시공간이 거품처럼 흔들린다. 입자가 다르게 행동한다. 빛의 속도가 에너지에 따라 달라질 수 있다. 극고에너지 광자가 더 빠를 수 있다. GZK 상호작용이 약해진다. 우주선이 더 멀리 온다. 하지만 증거가 없다. 측정이 어렵다. 효과가 극히 작다. 초대칭 입자 가설도 있다. 뉴트랄리노 같은 것이다. 암흑물질 후보다. 붕괴하며 초고에너지 양성자를 낸다. GZK 한계를 안 받는다. 전자기 상호작용이 없으니까. 직접 양성자로 붕괴한다. 하지만 이것도 증거가 없다. LHC에서 못 찾았다. 토폴로지컬 결함 가설도 있다. 우주 초기 상전이 때 생긴 끈이다. 우주 끈이라 부른다. 엄청난 에너지를 저장한다. 붕괴하며 입자를 낸다. 극고에너지 우주선일 수 있다. 하지만 이것도 추측이다. 관측이 없다. 가장 가능성 높은 건 평범한 천체 물리다. 블랙홀, 중성자별, 초신성이 만든다. GZK 한계 안에서 설명된다. 새로운 물리는 필요 없다. 하지만 배제도 못 한다. 더 많은 데이터가 필요하다. 피에르 오제가 계속 관측한다. 년간 30개 정도 잡는다. 10년이면 300개다. 통계가 쌓인다. 패턴이 명확해진다. 출처를 좁힌다. 텔레스코프 어레이도 있다. 미국 유타에 있다. 700제곱킬로미터다. 북반구를 본다. 오제는 남반구다. 합치면 전체 하늘이다. 2027년, 오제 업그레이드가 완성된다. 검출기를 3배 늘린다. 감도를 높인다. 년간 100개를 잡을 것이다. GZK 한계의 정밀한 모습을 본다. 예외를 찾는다. 새로운 물리를 시험한다. 우주선의 최고 에너지. GZK 한계가 그 한계를 정한다. 우주배경복사가 만든 벽이다. 극고에너지 우주선은 가까운 곳에서만 온다. 우주의 속도 제한이다.