소개
1930년대 프랑스 물리학자 피에르 오제(Pierre Auger)는 알프스 산등성이를 따라 가이거 계수기를 배치했고, 최대 300m 떨어져 있을 때에도 때때로 자발적으로 동시에 딸깍 소리가 나는 것을 관찰했습니다. 그는 우연한 클릭이 우주 광선, 즉 우주에서 대전된 입자가 하늘의 공기 분자에 부딪혀 땅에 비가 내리는 입자 소나기를 촉발시키는 것에서 비롯된다는 것을 알고 있었습니다. 그러나 Auger는 우주선이 자신이 보고 있는 거대한 소나기를 촉발하려면 엄청난 양의 에너지를 운반해야 한다는 사실을 깨달았습니다. 너무 많은 양이므로 1939년에 그는 "단일 과정으로 입자에 그러한 에너지를 줄 수 있다는 것을 상상하는 것은 실제로 불가능합니다"라고 썼습니다.
더 큰 배열의 가이거 계수기 및 기타 종류의 감지기를 구축하면서 물리학자들은 우주선이 오거가 예상한 것보다 최소 100,000배 더 높은 에너지에 도달한다는 사실을 알게 되었습니다.
우주선은 단지 원자핵, 즉 양성자 또는 양성자와 중성자의 덩어리일 뿐입니다. 그러나 "초고에너지" 우주선으로 알려진 희귀한 광선은 전문적으로 제공되는 테니스 공만큼의 에너지를 가지고 있습니다. 그들은 유럽의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)의 원형 터널 주위를 광속의 99.9999991% 속도로 돌진하는 양성자보다 수백만 배 더 에너지가 넘칩니다. 사실, "오마이갓 입자"라는 별명이 붙은 지금까지 발견된 가장 강력한 우주선은 1991년에 하늘을 강타하여 광속의 99.99999999999999999999951%의 속도로 충돌하여 대략 어깨 높이에서 발가락까지 떨어지는 볼링공의 에너지를 제공합니다. 독일 카를스루에 공과대학의 천체물리학자이자 세계 최대 우주선 관측소인 아르헨티나 피에르 오제 천문대의 공동 리더인 랠프 엥겔은 "양성자를 우리가 볼 수 있는 에너지로 가속하려면 수성의 궤도만큼 큰 충돌기를 만들어야 할 것"이라고 말했습니다.
문제는 우주 바깥에 무엇이 가속하고 있는가입니다.
이제 초신성 폭발은 오거가 82년 전에 처음 관찰했던 놀랍도록 강력한 우주선을 생성할 수 있는 것으로 생각됩니다. 초신성은 그 이후로 목격된 훨씬 더 놀라운 입자를 생성할 수 없습니다. 이러한 초고에너지 우주선의 기원은 여전히 불확실합니다. 그러나 최근 일련의 발전으로 인해 검색 범위가 크게 좁아졌습니다.
2017년 오거 천문대는 중요한 발견을 발표했습니다. 1,600개의 입자 탐지기와 27개의 망원경이 로드 아일랜드 크기의 아르헨티나 대초원에 흩어져 있는 이 관측소는 지난 13년 동안 수십만 개의 초고에너지 우주선의 에어 샤워를 기록했습니다. 팀은 6% 더 많은 광선이 하늘의 한쪽 절반에서 다른 쪽보다 나온다고 보고했는데, 이는 우주 광선의 도착 방향에서 확실히 감지된 최초의 패턴입니다.
최근 뉴욕 대학교의 세 이론가는 전문가들이 매우 설득력 있다고 보는 불균형에 대해 우아한 설명을 제시했습니다. Chen Ding, Noémie Globus 및 Glennys Farrar가 공동으로 작성한 새로운 논문은 초강력 우주선 가속기가 우주적으로 드물지 않고 어디에나 존재한다는 점을 암시합니다.
유타에 있는 오거 천문대(Auger Observatory)와 망원경 배열(Telescope Array)은 또한 하늘에서 더 작고 미묘한 우주 광선 "핫스팟"을 감지했습니다. 아마도 근처 소스의 위치일 것입니다. 특정 후보 개체가 올바른 위치에 있습니다.
초고에너지 우주선에 의해 생성되는 초에너지 중성미자의 형태로 더 많은 단서가 도착했습니다. 종합적으로, 최근의 발견은 세 가지 주요 경쟁자에게 우주의 초강력 가속기를 찾는 데 초점을 맞췄습니다. 이제 이론가들은 이러한 천체물리학적 물체가 실제로 우리를 향해 충분히 빠른 속도로 입자를 던질 수 있는지, 그렇다면 어떻게 던질 수 있는지 확인하기 위해 모델링하느라 바쁩니다.
이러한 추측은 완전히 새로운 것이며 어떤 데이터의 제약도 없습니다. "고에너지로 가면 상황은 정말 미개척입니다."라고 Engel은 말했습니다. “정말 모든 것이 텅 빈 곳으로 가셨군요.”
좋은 불균형
초고에너지 우주선을 만드는 것이 무엇인지 알기 위한 첫 번째 단계는 그것이 어디서 오는지 확인하는 것입니다. 문제는 입자가 전기적으로 충전되어 있기 때문에 직선으로 이동하지 않는다는 것입니다. 자기장을 통과하면서 경로가 구부러집니다.
더욱이, 초고에너지 입자는 드물기 때문에 지구 하늘의 평방 킬로미터에 1년에 한 번 정도만 충돌합니다. 도착 방향의 패턴을 식별하려면 거대한 데이터 세트에서 미묘한 통계적 불균형을 찾아내야 합니다.
패턴이 나타나기 전에 얼마나 많은 데이터가 필요할지 아무도 몰랐습니다. 물리학자들은 패턴의 힌트조차 보지 못한 채 수십 년 동안 더 큰 검출기 배열을 구축했습니다. 그러다가 1990년대 초 스코틀랜드의 천체물리학자 앨런 왓슨(Alan Watson)과 미국의 물리학자 짐 크로닌(Jim Cronin)은 정말 큰 일을 하기로 결정했습니다. 그들은 3,000제곱킬로미터 규모의 오거 천문대(Auger Observatory)가 될 프로젝트에 착수했습니다.
마침내 그것으로 충분했습니다. Auger 팀이 Science에 보고했을 때 2017년에는 하늘의 두 부분 사이에서 6%의 불균형(하늘의 특정 방향에서 나온 과잉 입자가 반대 방향 중심의 부족으로 원활하게 전환되는 현상)을 발견한 사실이 발견되었습니다. "그것은 환상적으로 흥미로웠습니다."라고 Watson은 말했습니다. "저는 1960년대부터 이 분야에서 매우 오랫동안 일해왔습니다." "이방성을 경험한 것은 이번이 처음입니다."
사무엘 벨라스코/Quanta 매거진; 출처:arxiv.org/pdf/2101.04564
하지만 데이터도 수수께끼였습니다. 우주선 과잉의 방향은 은하계 중심 근처 어디에도 없었으며, 이는 초고에너지 우주선이 은하계 외부에서 온다는 오랜 가설을 뒷받침해 줍니다. 그러나 그것은 아무 것도 없었습니다. 이는 이웃 은하계에 있는 초대질량 블랙홀과 같은 강력한 천체물리학적 물체의 위치와 일치하지 않았습니다. 그것은 밀집된 은하단인 처녀자리 성단이 아니었습니다. 그것은 큰개자리 근처에 있는 흐릿하고 어두운 지점이었습니다.
당시 예루살렘 히브리 대학교의 박사후 연구원이었던 Noémie Globus는 즉시 패턴을 설명하는 방법을 알아냈습니다. 그녀는 단순화부터 시작했습니다. 우주의 모든 물질은 소수의 초고에너지 우주선을 생성할 확률이 동일하다는 것입니다. 그런 다음 그녀는 우주의 대규모 구조로 통칭되는 인근 은하, 은하군 및 성단에서 나오는 우주선이 어떻게 약간 구부러지고 은하간 공간의 약한 자기장을 통해 여기로 이동하는지를 계획했습니다. 당연히 그녀의 가상 지도는 처녀자리에서 나오는 우주선의 농도가 가장 높은 대규모 구조물 자체의 흐릿한 그림일 뿐입니다.
그녀의 우주선 과잉은 Auger의 데이터를 설명하기에 적합한 위치에 없었지만 그녀는 그 이유를 알고 있다고 생각했습니다. 왜냐하면 그녀는 은하수의 자기장을 적절하게 설명하지 못했기 때문입니다. 2019년 Globus는 천체물리학자 Glennys Farrar와 함께 일하기 위해 NYU로 옮겼습니다. Glennys Farrar는 당시 대학원생인 Ronnie Jansson과 함께 개발한 2012년 은하 자기장 모델이 최신 상태로 남아 있습니다. 은하의 자기장이 왜 그런 모양으로 형성되었는지 아직 아무도 이해하지 못하지만 Farrar와 Jansson은 40,000번의 편광 측정을 통해 은하의 기하학을 추론했습니다. 그들은 자기장 선이 은하의 나선 팔을 따라 시계 방향과 반시계 방향으로 호를 그리며 은하 원반에서 수직으로 발산되며 상승하면서 비틀린다는 것을 확인했습니다.
Farrar의 대학원생 Chen Ding은 대규모 구조에서 나오는 초고에너지 우주선에 대한 Globus의 지도를 개선한 다음 Farrar와 Jansson이 모델로 한 은하 자기장의 왜곡 렌즈를 통해 이 입력을 전달하는 코드를 작성했습니다. Farrar는 “그리고 보라, 우리는 관찰 결과와 놀라운 일치를 얻었습니다.”라고 말했습니다.
처녀자리에서 유래한 우주선은 은하계의 뒤틀린 자기장 선에서 구부러져 오거가 과잉의 중심을 보는 큰개자리 방향에서 우리를 공격합니다. 연구자들은 서로 다른 에너지의 우주선에 대해 결과 패턴이 어떻게 변하는지 분석했습니다. 그들은 Auger 데이터의 다양한 하위 집합과 긴밀하게 일치하는 항목을 지속적으로 찾았습니다.
초고에너지 우주선의 기원에 대한 연구원의 "연속 모델"은 단순화된 것입니다. 모든 물질은 초고에너지 우주선을 방출하지 않습니다. 그러나 그 놀라운 성공은 광선의 실제 소스가 풍부하고 모든 물질 전체에 고르게 퍼져 대규모 구조를 추적한다는 것을 보여줍니다. 천체물리학 저널 레터에 게재될 연구 , 널리 호평을 받았습니다. “이것은 정말 환상적인 단계입니다.”라고 Watson이 말했습니다.
즉시 특정 주식이 상승했습니다. 특히 우주에서 상대적으로 흔하지만 잠재적으로 오마이갓 입자를 생성할 만큼 특별하다는 세 가지 유형의 후보 개체가 있습니다.
이카루스 스타즈
2008년에 Farrar와 공동 저자는 조수 붕괴 사건(TDE)이라고 불리는 대격변이 초고에너지 우주선의 원인일 수 있다고 제안했습니다.
TDE는 별이 이카루스를 끌어당겨 초대질량 블랙홀에 너무 가까워질 때 발생합니다. 별의 앞면이 뒷면보다 훨씬 더 큰 중력을 느끼기 때문에 별은 산산조각이 나고 심연 속으로 소용돌이치게 됩니다. 소용돌이는 약 1년 동안 지속됩니다. 그것이 지속되는 동안, 두 개의 물질 제트(교란된 별의 아원자 파편)가 블랙홀에서 반대 방향으로 발사됩니다. 이 광선의 충격파와 자기장은 핵을 우주로 발사하기 전에 핵을 초고에너지로 가속시키는 데 공모할 수 있습니다.
조수 붕괴 사건은 대략 모든 은하계에서 10만년에 한 번씩 발생하는데, 이는 우주론적으로 모든 곳에서 항상 일어나는 것과 같습니다. 은하계는 물질 분포를 추적하므로 TDE는 Ding, Globus 및 Farrar의 연속 모델의 성공을 설명할 수 있습니다.
더욱이 TDE의 비교적 짧은 플래시는 다른 퍼즐을 해결합니다. TDE의 우주선이 우리에게 도달할 때쯤이면 TDE는 수천 년 동안 어두워졌을 것입니다. 동일한 TDE에서 나오는 다른 우주선은 별도의 구부러진 경로를 취할 수 있습니다. 일부는 수세기 동안 도착하지 못할 수도 있습니다. TDE의 일시적인 특성은 왜 우주선의 도착 방향에 대한 패턴이 거의 없고 알려진 물체의 위치와 강한 상관관계가 없는 것처럼 보이는지 설명할 수 있습니다. Farrar는 광선의 기원에 대해 "나는 이제 그것이 대부분 일시적인 것이라고 믿고 싶습니다."라고 말했습니다.
TDE 가설은 최근 자연 천문학에 보고된 관찰을 통해 또 다른 힘을 얻었습니다. 2월.
논문의 저자 중 한 명인 로버트 스타인(Robert Stein)은 2019년 10월 남극 대륙의 IceCube 중성미자 관측소에서 경보가 수신되었을 때 캘리포니아에서 Zwicky Transient Factory라는 망원경을 운영하고 있었습니다. IceCube는 특히 활동적인 중성미자를 발견했습니다. 고에너지 중성미자는 생성된 환경에서 더 높은 에너지의 우주선이 빛이나 물질을 산란시킬 때 생성됩니다. 운 좋게도 중성미자인 중성미자는 직선으로 우리에게 다가가므로 자신의 모 우주선의 근원지를 직접적으로 가리킵니다.
Stein은 IceCube의 중성미자가 도착하는 방향으로 망원경을 돌렸습니다. “우리는 중성미자가 도착한 위치에서 조수 붕괴 현상이 일어나는 것을 즉시 확인했습니다.”라고 그는 말했습니다.
이러한 대응으로 인해 TDE는 최소한 초고에너지 우주선의 원천 중 하나일 가능성이 높아졌습니다. 그러나 중성미자의 에너지는 아마도 TDE가 가장 높은 에너지 광선을 생성한다는 것을 증명하기에는 너무 낮을 것입니다. 일부 연구자들은 이러한 과도 현상이 관측된 에너지 스펙트럼의 끝 부분까지 핵을 가속할 수 있는지 여부에 대해 강하게 의문을 제기합니다. 이론가들은 애초에 사건이 어떻게 입자를 가속화할 수 있는지 계속 탐구하고 있습니다.
한편, 다른 사실로 인해 일부 연구자들은 다른 곳으로 관심을 돌렸습니다.
스타버스트 슈퍼윈드
오거(Auger) 및 망원경 배열(Telescope Array)과 같은 우주선 관측소에서도 몇 개의 핫스팟(가장 높은 에너지의 우주선이 도착하는 방향에 작고 미묘한 농도가 집중되어 있음)을 발견했습니다. 2018년에 Auger는 핫스팟을 여기에서 수억 광년 내에 있는 천체 물리학적 물체의 위치와 비교한 결과를 발표했습니다. (더 멀리서 오는 우주선은 도중에 충돌할 때 너무 많은 에너지를 잃게 됩니다.)
상호 상관 경연에서는 어떤 유형의 물체도 예외적으로 잘 수행되지 않았습니다. 편향된 우주선 경험을 고려하면 당연히 그렇습니다. 그러나 가장 강력한 상관관계는 많은 전문가들을 놀라게 했습니다. 광선의 약 10%가 소위 "스타버스트 은하" 방향의 13도 이내에서 나왔습니다. Auger 팀의 일원이자 Karlsruhe Institute of Technology의 Michael Unger는 "원래는 내 접시에 없었습니다."라고 말했습니다.
1999년 초고에너지 우주선의 기원으로 항성폭발 은하를 제안한 뉴욕 시립대 리먼 칼리지의 천체물리학자 루이스 앵커도퀴(Luis Anchordoqui)보다 더 기뻐한 사람은 없었습니다. 그는 “현재 데이터가 가리키는 모델을 제안한 사람이 나였기 때문에 이 점에 대해서는 어느 정도 편견이 있을 수 있습니다”라고 말했습니다.
항성폭발 은하계는 끊임없이 수많은 거대한 별들을 만들어냅니다. 거대한 별들은 초신성 폭발로 빠르게 살다가 젊어 죽습니다. Anchordoqui는 모든 초신성의 집단적 충격파에 의해 형성된 "초풍"이 우주 광선을 우리가 감지하는 놀라운 속도로 가속시키는 것이라고 주장합니다.
모든 사람이 이 메커니즘이 작동할 것이라고 확신하는 것은 아닙니다. "문제는 이 충격이 얼마나 빠른가 하는 것입니다." 하이델베르그 대학의 천체 물리학자인 Frank Rieger는 말했습니다. "그들이 최고의 에너지로 갈 것이라고 기대해야 할까요? 현재로서는 그것에 대해 회의적입니다."
다른 연구자들은 항성 폭발 은하 내부의 물체가 우주선 가속기 역할을 할 수 있으며 상호 상관 연구는 단순히 이러한 다른 물체의 풍부함을 포착하고 있다고 주장합니다. Farrar는 “일시적인 현상을 자연적인 원인으로 생각하는 사람으로서 항성폭발 은하계에 이러한 현상이 매우 풍부하기 때문에 아무런 문제가 없습니다.”라고 말했습니다.
활성 은하
상호상관 연구에서 또 다른 종류의 물체는 항성폭발 은하만큼은 아니지만 거의 비슷한 성능을 발휘했습니다. 바로 활성은하핵(AGN)이라고 불리는 물체입니다.
AGN은 플라즈마가 중심 초대질량 블랙홀을 삼키는 "활성"은하의 백열 중심입니다. 블랙홀은 플라즈마를 빨아들이면서 거대하고 오래 지속되는 제트를 발사합니다.
"전파성" AGN이라고 불리는 특히 밝은 부분 집합의 고출력 구성원은 우주에서 가장 밝고 지속성 있는 물체이므로 오랫동안 초고에너지 우주선의 원천 후보로 여겨져 왔습니다.
그러나 이러한 강력한 무선 AGN은 우주에서 Ding, Globus 및 Farrar 테스트를 통과하기에는 너무 드뭅니다. 대규모 구조의 추적자가 될 수는 없습니다. 사실, 우리 우주 이웃에는 거의 아무것도 없습니다. "그들은 좋은 정보원이지만 우리 뒷마당에는 없습니다."라고 Rieger는 말했습니다.
덜 강력한 무선 AGN이 훨씬 더 일반적이며 잠재적으로 연속 모델과 유사할 수 있습니다. 예를 들어, 가장 가까운 무선 전파 AGN인 Centaurus A는 오거 천문대의 가장 눈에 띄는 핫스팟에 바로 위치해 있습니다. (항성폭발 은하도 마찬가지입니다.)
오랫동안 Rieger와 다른 전문가들은 양성자를 오마이갓 입자 수준으로 가속하기 위해 저전력 AGN을 얻기 위해 진지하게 노력했습니다. 그러나 최근 발견으로 인해 그들은 "다시 게임에 참여"하게 되었습니다.
천체 물리학자들은 모든 우주선의 약 90%가 양성자(즉, 수소 핵)라는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. 또 다른 9%는 헬륨 핵입니다. 광선은 산소나 철과 같은 더 무거운 핵일 수 있지만 전문가들은 초고에너지 우주선을 가속하는 데 필요한 폭력적인 과정에 의해 이러한 핵이 찢어질 것이라고 오랫동안 추측해 왔습니다.
그러다가 2010년대 초 놀라운 발견을 통해 오거 천문대(Auger Observatory) 과학자들은 에어 샤워의 모양을 통해 초고에너지 광선이 대부분 탄소, 질소, 규소와 같은 중간급 핵이라는 사실을 추론했습니다. 이 핵은 더 낮은 속도로 이동하는 동안 양성자와 동일한 에너지를 얻습니다. 그리고 이를 통해 우주 가속기 후보가 어떻게 작동할지 상상하기가 더 쉬워집니다.
예를 들어, Rieger는 저전력 AGN이 더 무거운 우주선을 초고에너지로 가속할 수 있는 메커니즘을 확인했습니다. 입자는 AGN 제트에서 좌우로 표류할 수 있으며 흐름의 가장 빠른 부분에 다시 들어갈 때마다 걷어차게 됩니다. "그 경우 그들은 저전력 무선 소스를 사용하여 그렇게 할 수 있다는 것을 알게 되었습니다"라고 Rieger는 말했습니다. "저희 뒷마당에는 그런 것들이 훨씬 더 많을 겁니다."
또 다른 논문에서는 조수 붕괴 사건이 자연적으로 중간급 핵을 생성하는지 여부를 조사했습니다. 논문 공동저자인 애리조나 주립대학교 천체물리학자 세실리아 루나르디니(Cecilia Lunardini)는 “교란된 별이 백색왜성이라면 이런 일이 일어날 수 있다는 것이 답”이라고 말했다. "백색 왜성은 탄소, 질소 등 이런 종류의 구성을 가지고 있습니다." 물론 TDE는 "불행한 별"이라면 누구에게나 일어날 수 있다고 Lunardini는 말했습니다. "하지만 백색왜성이 많기 때문에 그다지 인위적인 일은 아니라고 봅니다."
연구자들은 가장 높은 에너지의 우주선이 무거운 편에 있다는 의미를 계속해서 탐구하고 있습니다. 그러나 그들은 이를 가속화하는 방법에 대한 문제를 더 쉽게 만든다는 데 동의할 수 있습니다. "더 높은 에너지를 향한 무거운 구성은 상황을 훨씬 더 편안하게 만듭니다"라고 Rieger는 말했습니다.
기본 소스
후보 가속기의 짧은 목록이 결정화됨에 따라 올바른 답을 찾는 작업은 계속해서 새로운 관찰에 의해 주도될 것입니다. 모두가 업그레이드된 천문대인 AugerPrime에 열광하고 있습니다. 올해 말부터는 전체 구성을 추정하는 대신 개별 우주선 사건의 구성을 식별하게 됩니다. 이런 방식으로 연구자들은 지구로 이동하는 동안 가장 적게 편향되는 양성자를 분리하고 도착 방향을 되돌아보며 개별 소스를 식별할 수 있습니다. (이러한 소스는 아마도 더 무거운 핵도 생성할 것입니다.)
많은 전문가들은 여러 소스의 혼합이 초고에너지 우주선 스펙트럼에 기여할 수 있다고 의심합니다. 그러나 그들은 일반적으로 하나의 소스 유형이 지배적이며 단 하나의 소스 유형만이 스펙트럼의 극단에 도달할 것으로 기대합니다. Unger는 "내 돈은 단 하나뿐이다"라고 말했습니다.
편집자 주:Noémie Globus는 현재 체코 공화국의 ELI Beamlines 및 뉴욕의 Flatiron Institute와 제휴하고 있습니다. Flatiron Institute는 편집적으로 독립적인 이 잡지에도 자금을 지원하는 Simons Foundation의 자금을 지원받습니다. Simons 재단과의 제휴 당사의 보도와는 아무런 관련이 없습니다 .
이 기사는 Wired.com에 재인쇄되었습니다. .
