다수의 고에너지 변칙 현상은 천체 물리학자들이 암흑 물질을 처음으로 직접적으로 목격했다는 희망을 불러일으켰습니다. 새로운 연구에 따르면 다른 원인이 원인일 수 있습니다.
메시에 82 은하 중심 근처의 펄서에 대한 예술가의 시각.
소개
2009년 댄 후퍼(Dan Hooper)와 그의 동료들은 우리 은하 중심에서 이전에는 누구도 발견하지 못했던 빛을 발견했습니다. 1년 전에 발사된 위성인 페르미 감마선 우주망원경에서 공개적으로 이용 가능한 데이터를 분석한 후, 팀은 은하수 중심이 천체물리학자들이 설명할 수 있는 것보다 더 많은 감마선을 방출하고 있다는 결론을 내렸습니다.
그 발견은 너무나 예상치 못한 일이어서 당시에는 그것이 진짜라고 믿는 사람이 거의 없었습니다. Hooper가 Fermi 공동 작업의 구성원이 아니라 오히려 Fermi 팀이 공개한 데이터를 선택하는 외부인이라는 점은 도움이 되지 않았습니다. 페르미 연구에 참여한 과학자 중 한 명은 후퍼가 데이터를 적절하게 해석하는 방법을 몰랐을 뿐이라고 주장하면서 그의 작업을 "아마추어적"이라고 불렀습니다.
그러나 시간이 지남에 따라 천체물리학자들은 그들이 설명할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 고에너지 방사선이 은하계를 통해 흐르고 있다는 사실을 깨닫기 시작했습니다. 후퍼가 페르미 데이터 분석을 시작하기 불과 1년 전, 뉴멕시코의 밀라그로(Milagro)라는 감마선 탐지기는 은하계 전체에서 나오는 것처럼 보이는 풍부한 초에너지 감마선을 발견했습니다. 그리고 2014년에 국제 우주 정거장의 실험인 알파 자기 분광계(AMS)는 설명할 수 있는 것보다 더 많은 반물질이 은하계를 통해 흐르는 것을 발견하여 위성 및 풍선 실험을 통한 이전 관측을 확인했습니다.
이 세 가지 변칙 현상이 실제로 존재한다면 우주에서 우리가 알지 못했던 일이 일어나고 있음을 보여줍니다. 후퍼를 포함한 많은 천체물리학자들은 이 신비한 신호 중 두 개가 우주의 약 4분의 1을 구성한다고 생각되는 심오하고 신비로운 물질인 암흑 물질의 천체 물리학적 반향이라고 주장하기 시작했습니다.
페르미 망원경이 출시된 지 거의 10년이 지난 올해, 연구자들은 거의 합의에 도달했습니다. 첫째, 이제 거의 모든 천체 물리학자들은 우리 은하의 중심이 알려진 감마선 소스 모델이 제안하는 것보다 훨씬 더 많은 감마선을 생성한다는 데 동의한다고 스탠포드 대학의 천체 물리학자이자 페르미 협력 멤버인 루이지 티발도(Luigi Tibaldo)는 말했습니다. 이로써 후퍼의 한때 "아마추어적" 주장이 입증되었습니다.
둘째, 모든 추가 방사선은 아마도 암흑 물질로 인한 것이 아닐 것입니다. 최근의 여러 연구에 따르면 빠르게 회전하는 중성자별인 펄서가 세 가지 미스터리를 모두 설명할 수 있다는 사실이 많은 연구자들에게 확신을 갖게 되었습니다.
유일한 문제는 아무도 그것을 찾을 수 없다는 것입니다.
암흑 물질의 날
은하의 중심은 별, 먼지, 그리고 아마도 암흑 물질로 가득 찬 혼잡한 장소입니다. 천체 물리학자들은 암흑 물질이 아마도 일반 물질과 쉽게 상호 작용하지 않는 입자, 즉 "약하게 상호 작용하는 거대 입자", 즉 WIMP로 구성되어 있다고 오랫동안 믿어 왔습니다. 때때로 이러한 WIMP가 서로 충돌할 수 있습니다. 그렇게 하면 감마선을 생성할 수 있습니다. 아마도 그것이 바로 은하 중심에서 일어나고 있는 일이라고 후퍼는 2009년에 제안했습니다.
이 이론은 후퍼가 불과 1년 전에 제시한 또 다른 아이디어와 딱 들어맞았습니다. 2008년에 그와 세 명의 공동 저자는 WIMP의 일종인 뉴트럴티노의 충돌로 인해 이국적인 입자가 쏟아져 나온 후 기본 입자로 붕괴된다고 주장하는 논문을 발표했습니다. 이 과정은 파멜라(Pamela)라는 우주 기반 실험에서 이전에 발견된 비정상적으로 높은 수준의 양전자(전자의 반물질 대응물)를 설명합니다.
이 경우 Hooper는 좋은 친구였습니다. 파멜라의 첫 번째 결과 이후 "과장 없이" 약 1,000개의 논문이 양전자 과잉 미스터리를 설명하려고 노력했다고 오하이오 주립 대학의 천체 물리학자인 팀 린든이 말했습니다. 이들 논문의 대부분은 암흑물질 해석을 선호했습니다. 2014년 Pamela 결과는 AMS에서 가져온 데이터로 뒷받침되었습니다.
여기 국제 우주 정거장 전경에 보이는 알파 자기 분광계는 결국 암흑 물질 대 펄서 논쟁을 해결할 수 있을 것입니다.
그러나 다른 과학자들은 암흑물질에 기반한 두 가지 설명에 빠르게 구멍을 뚫기 시작했습니다. 은하 중심의 경우, WIMP 충돌은 짙은 안개 속에서 보이는 투광 조명처럼 부드럽고 흐릿한 감마선 빛을 생성해야 합니다. 그러나 천체물리학자들은 감마선 빛을 자세히 조사한 결과 점묘법의 빛 조각을 발견했습니다. 감마선은 여러 개별 점광원에서 나오는 것처럼 보였습니다.
그리고 WIMP가 양전자를 모두 생산했다면 감마선도 많이 생성해야 합니다. 그러나 천문학자들이 엄청난 양의 암흑 물질이 있는 것으로 생각되는 인근 왜소은하를 관찰할 때 감마선은 나타나지 않습니다.
이러한 암흑물질 모델의 긴장감으로 인해 천체물리학자들은 천체물리학적으로 좀 더 평범한 옵션을 고려하게 되었습니다.
펄서의 부상
대부분의 과학자들이 암흑 물질이 존재한다고 확신하고 있음에도 불구하고(직접 관찰할 수는 없더라도) 이 모델은 여전히 이국적인 것으로 간주됩니다. 훨씬 덜 이국적인 것은 망원경으로 실제로 감지할 수 있는 천체 물리학적 방사선원입니다. 따라서 데이터가 암흑 물질의 근거를 약화시키기 시작하면서 후퍼를 포함한 많은 연구자들은 훨씬 더 평범한 설명인 펄서에 대해 고민하기 시작했습니다.
펄서는 밀도가 매우 높고 빠르게 회전하는 물체입니다. 중성자별은 초신성이 된 거대한 별의 죽은 핵입니다. 그들은 등대에서 나오는 광선처럼 펄서와 함께 회전하는 방사선 제트를 방출합니다. 이 광선이 지구를 통과할 때 우리 망원경은 에너지의 섬광을 감지합니다.
2015년에는 암스테르담 대학의 천체 물리학자인 크리스토프 웨니거(Christoph Weniger)가 이끄는 그룹과 매사추세츠 공과대학의 이론 물리학자인 트레이시 슬레이티어(Tracy Slatyer)가 이끄는 두 그룹이 각각 펄서 이론에 큰 힘을 실어주는 증거를 제시했습니다. 각 팀은 약간 다른 방법을 사용했지만 본질적으로 둘 다 은하 중심을 덮는 하늘 영역을 수많은 픽셀로 나누었습니다. 그런 다음 각 픽셀의 변동 수를 세어 본질적으로 등대 광선이 지구 표면을 가로질러 흔들리는 것을 관찰했습니다. 연구원들은 픽셀 간의 큰 차이점을 발견했습니다. 즉, 하늘의 뜨거운 부분과 차가운 부분입니다. 이는 신호가 서로 다른 점 소스에서 나온다고 가정하면 설명하기가 훨씬 쉽습니다. "일부 하늘 위치에서는 다른 위치에 비해 더 밝은 펄서 또는 더 많은 펄서가 있을 수 있기 때문에 이는 펄서에서 기대할 수 있는 것입니다."라고 Linden은 말했습니다.
이제 대부분의 천체 물리학자들은 은하계에 이상하게 많은 양전자가 존재하는 것도 펄서 때문일 수 있다고 생각합니다. 펄서는 물체의 나머지 부분과 함께 회전하는 거대한 자기장을 생성합니다. 회전하는 자기장은 전기장을 생성하며, 이 전기장은 펄서 표면에서 전자를 끌어당겨 빠르게 가속시킵니다. 전자가 자기장을 통해 곡선을 그리면서 전자는 고에너지 감마선을 방출합니다. 이 방사선 중 일부는 전자와 양전자 쌍으로 자발적으로 변형될 만큼 에너지가 넘치며, 이는 펄서의 강력한 자기장에서 벗어날 수 있습니다.
이 과정에는 많은 단계가 있고 불확실성도 많습니다. 특히 연구자들은 펄서의 에너지 중 얼마나 많은 양이 전자-양전자 쌍을 만드는 데 사용되는지 알고 싶어합니다. 백분율 포인트의 일부입니까? 아니면 펄서 에너지의 20~40%에 해당하는 상당한 양일까요? 후자의 경우, 펄서는 반물질 과잉을 설명하기에 충분한 양전자를 생산하고 있을 수 있습니다.
연구자들은 펄서에서 나오는 전자와 양전자의 수를 측정하는 방법을 찾아야 했습니다. 불행히도 이것은 매우 어려운 작업입니다. 전하를 띤 입자인 전자와 양전자는 은하계를 통해 순환하고 뒤틀릴 것입니다. 지구에서 탐지하면 그것이 어디서 왔는지 알기 어렵습니다.
고고도 수중 체렌코프 감마선 관측소(HAWC)는 고에너지 감마선과 우주선을 감지합니다.
반면 감마선은 직선 경로를 유지합니다. 이를 염두에 두고 멕시코의 HAWC(High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory)와 협력하는 연구자들은 최근 상대적으로 밝고 상대적으로 가까운 두 개의 펄서인 Geminga와 Monogem에 대한 자세한 연구를 수행했습니다. 그들은 펄서 자체에서 나오는 감마선뿐만 아니라 펄서 주위에 상대적으로 넓은 후광으로 나타나는 초에너지 감마선(은하 중심에서 흘러나오는 과도한 흐름보다 1,000배 더 많은 에너지)도 조사했습니다. 이 후광 전체에서 펄서에서 나오는 고에너지 전자가 주변 별빛에서 나오는 저에너지 광자와 충돌했습니다. 충돌은 큰 망치가 골프 공을 궤도에 박살내는 것처럼 엄청난 양의 에너지를 뾰족한 광자에 전달했습니다.
올해 초 후퍼와 린든이 포함된 팀은 펄서의 밝기와 후광의 밝기를 비교한 연구를 발표했습니다. 그들은 Geminga 에너지의 8~27%가 전자와 양전자로 변환되어야 한다고 결론지었다고 Linden은 말했습니다. Monogem의 경우 두 배였습니다. “이것은 펄서가 우리 은하계 내에서 엄청난 양의 전자와 양전자를 생산한다는 것을 의미합니다.”라고 린든은 말했습니다.
Slatyer는 이번 연구가 "펄서에 의해 생성된 고에너지 양전자의 스펙트럼을 실제로 다룬 최초의 연구이므로 이는 큰 진전입니다."라고 말했습니다.
이 연구는 또한 10년 전 뉴멕시코의 밀라그로(Milagro) 탐지기에 의해 발견된 이상한 초고에너지 감마선 과잉 현상을 설명하는 데 도움이 됩니다. 방사선은 주변의 별빛을 가속시키는 펄서에서 생성된 전자와 양전자에서 나올 수 있습니다.
암흑물질의 복수
한 가지 장애물이 남아 있습니다. 모든 신비한 방출을 설명할 만큼 충분한 펄서를 찾는 것입니다. 린든은 “과잉을 생성하려면 은하 중심에서 약 50개의 [밝은] 펄서를 봐야 한다”고 말했다. "대신에 우리는 단지 소수만을 발견했습니다." 마찬가지로, 우리는 Milagro와 HAWC가 발견한 양전자 과잉이나 풍부한 초고에너지 감마선을 설명할 만큼 은하계의 나머지 부분에 충분한 펄서가 있는지 아직 알지 못합니다.
하지만 이 문제는 펄서 지지자들을 그다지 괴롭히지 않습니다. 그들은 가까운 미래에 남아프리카의 MeerKAT 및 그 후속 제품인 남아프리카와 호주의 Square Kilometer Array와 같은 차세대 전파 망원경이 우리 은하계에서 지금까지 보이지 않는 전파원을 발견할 수 있기를 바라고 있습니다.
그렇다면 암흑물질 대 펄서 논쟁은 해결되었나요? 양전자의 경우에는 그런 것 같습니다. 원래는 더 많은 연구자들이 암흑 물질 해석을 선호했지만 지금은 대부분 펄서 쪽으로 기울고 있습니다.
그리고 은하 중심에서 펄서는 "오컴의 면도칼 후보"라고 Slatyer는 말했습니다. "암흑물질 소멸 시나리오로도 데이터를 설명할 수 있지만, 우리는 펄서가 있다는 것을 알았고 암흑물질이 소멸할지 모르므로 펄서 시나리오가 더 간단하다고 생각할 수 있습니다."
Slatyer에 따르면, 은하 중심에 대한 암흑물질 설명이 다시 돌아올 수 있으며 실제로 암흑물질 가설을 테스트할 수 있는 또 다른 방법이 있습니다. 우주선이 성간 물질과 상호 작용할 때, 그리고 이론적으로는 암흑 물질이 소멸되는 동안 양성자의 반입자 쌍둥이인 반양성자를 생성합니다. 펄서는 반양성자를 생성할 수 없습니다. 만약 연구자들이 우주선에 의해 설명될 수 있는 것보다 더 많은 반양성자를 발견한다면, 이 발견은 암흑물질 시나리오를 강화할 것입니다. 이것이 바로 AMS의 예비 결과가 보여준 것입니다. 암흑 물질 입자를 소멸시키는 것과 일치할 수 있는 반양성자의 과잉 가능성입니다. AMS 과학자들은 반양성자의 근원에 대해 어떠한 결론도 내리지 못하고 있지만 올해 암흑 물질이 반양성자 과잉의 원인일 수 있다고 주장하는 두 편의 논문이 나왔습니다.
린든에게 펄서 확인은 더욱 의미가 있을 것입니다. 수십 년 동안 우리가 우주에 있는 우주선의 에너지에 대해 생각할 때 우리는 항상 초신성에 대해 생각해 왔으며, 양성자를 생성하여 감지된 모든 우주선을 생성한다고 그는 말했습니다. “우리는 초신성이 모든 것을 만들어내는 정말 아름다운 그림을 가지고 있습니다.”라고 Linden은 말했습니다. “모든 것이 하나로 연결되어 완벽해 보입니다.”
그러나 그 모델을 설정할 때 펄서의 에너지는 일반적으로 무시된다고 그는 덧붙였습니다. 펄서는 우주에서 가장 높은 에너지를 갖는 물체 중 하나입니다. "따라서 이 새로운 그림이 유지되고 펄서가 이러한 과잉을 생성한다면 은하계는 물론 우주 전체에 걸쳐 대부분의 매우 에너지적인 방사선의 근원에 대한 우리의 해석이 실제로 바뀌게 됩니다."라고 Linden은 말했습니다.
적어도 현재로서는 Pulsars:3, Dark Matter:0의 경우일 수 있습니다. “그러나 이 신호가 암흑물질로 판명되는 것을 원하지 않는다고 말한다면 거짓말일 것입니다.”라고 린든은 말했습니다. "그렇다면 훨씬 더 흥미로울 것입니다."
이 기사는 Wired.com에 재인쇄되었습니다. 암흑물질 해석에 새로운 활력을 불어넣은 2019년 4월 분석에 대해 읽어보세요.
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