현대 물리학 이론으로는 설명이 안 될 정도로 큰 에너지를 가지고 있고 어디에서 발생한 것인지 출처를 알 수 없는 극단적 초고에너지 우주선(cosmic ray)이 다시금 포착됐다.
24일 미국 유타주 사막에 입자검출기 수백 개를 설치해 고에너지 우주선을 관측하는 ‘텔레스코프 어레이'(Telescope Array) 공동연구단은 과학 저널 ‘사이언스'(Science)에서 2021년 5월 포착된 우주선 입자의 에너지가 244EeV(엑사전자볼트=10의 18제곱 전자볼트)로 이론상 가능한 수치보다 5배나 큰 것으로 분석됐다고 밝혔다.
텔레스코프 어레이는 미국 유타대학교, 일본 도쿄대학교가 주도하는 국제 연구단으로 미국 유타주 서부 사막에 입자 검출기 507개를 700㎢의 면적에 일정하게 배열해 만든 ‘코스믹 어레이’를 이용해 우주를 연구한다. 국내에서는 성균관대 박일흥 교수와 한양대 천병구 교수, 울산과기원(UNIST) 류동수 교수 연구팀 등이 참여하고 있다.
일본 신화에 나오는 태양의 여신 이름을 따 ‘아마테라스 입자’로 명명한 이 우주선은 2021년 5월 27일 유타주 텔레스코프 어레이 북서쪽 부분의 검출기 23개, 48㎢의 면적에서 포착됐다.
이 입자들은 분석 결과 에너지가 244EeV(약 40J)에 달하는 극단적인 초고에너지 우주선(UHECRs : Ultrahigh-energy cosmic rays)으로 밝혀졌다.
초고에너지 우주선은 인간이 만든 입자가속기에서 도달할 수 있는 에너지보다 약 100만 배 강력한 수준인 1EeV 이상의 아원자 하전 입자가 우주에서 날아오는 것을 말한다.
현대 물리학 이론으로는 아무리 강력한 초고에너지 우주선이라 해도 에너지 수준이 이론적 한계인 50EeV를 넘을 수 없다.
이전까지 50EeV가 넘는 우주선이 포착된 것은 1991년 ‘오마이갓 입자(oh-my-God particle)’ 뿐이었다. 이 우주선은 에너지 수준이 320EeV로 당시 천체 물리학자들을 충격에 빠뜨렸다.
학자들이 충격에 빠진 것은 이 우주선들의 에너지 수준이 이론적으로 불가능하기 때문이다.
현대 물리학 이론에서는 입자가 다른 은하에서 우리 은하로 이동할 때 가질 수 있는 에너지의 상한선을 50EeV로 추정한다. 이는 양성자가 빛의 속도에 99.99% 가까울 정도로 빠르게 움직일 때 가질 수 있는 에너지의 크기로, 이 한계선을 ‘그레이젠-자트세핀-쿠민즈’ 한계라고 한다. 그런데 오마이갓 입자와 아마테라스 입자는 이 한계를 크게 뛰어넘었다.
더욱 불가사의한 점은 우주선이 언제 어디서 어떻게 만들어진 것인지 알 수 없다는 사실이다.
아마테라스가 날아온 방향에는 근원 은하나 다른 알려진 천체가 전혀 없었으며, 우주선이 온 방향은 우주 거대 구조에서 은하가 거의 존재하지 않는 빈 공간 영역(Local Void)이었다고 연구팀은 말했다.
과학자들은 존재 자체가 미스터리인 두 초고에너지 입자가 현대 물리학의 불완전성과 불가사의한 우주를 보여주는 사례로 보고 있다.